(57)【要約】【課題】本発明は磁気メモリに関する。【解決手段】磁化が固定されている固定層６１と称される磁性層と、磁化を反転させることが可能な自由層６３と称される磁性層と、自由層７３と固定層７１との間に挟まれていてこれらの２つの層それぞれと接触している絶縁層６２とを備える磁気トンネル接合６０で各メモリポイントが構成されている。自由層６３は、希土類又は遷移金属を主体とする非晶質又はナノ結晶の合金からなり、この合金の磁気の配列はフェロ磁性型であり、自由層は実質的に面内磁化を有する。
2005503669.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気トンネル接合（６０）で形成されたメモリポイントを有し、
- 固定磁化を有するいわゆる固定磁性層（６１）と、
- 磁化を反転させることが可能ないわゆる自由磁性層（６３）と、
- 前記自由層（６３）と前記固定層（６１）との間に挟まれており、これらの２層と接触している絶縁層（６２）と
を備えた磁気メモリにおいて、
前記自由層（６３）は希土類及び遷移金属を主体とする非晶質又はナノ結晶の合金からなり、該合金の磁気の配列がフェリ磁性型であり、前記自由層（６３）が実質的に面内磁化を有することを特徴とする磁気メモリ。
【請求項２】
前記自由層（６３）はガドリニウム及びコバルトの合金からなることを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ。
【請求項３】
前記自由層（６３）は１又は複数の置換元素を少量更に含有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気メモリ。
【請求項４】
前記置換元素はたとえばＺｒ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｐｔ，Ｄｙ，Ｓｍからなるグループから選択されているることを特徴とする請求項３に記載の磁気メモリ。
【請求項５】
前記固定層（６１）は希土類及び遷移金属を主体とする非晶質の合金からなり、該合金の磁気の配列がフェリ磁性型であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気メモリ。
【請求項６】
前記固定層（６１）はテルビウム及びコバルトを主体とする非晶質の合金からなることを特徴とする請求項５に記載の磁気メモリ。
【請求項７】
前記固定層（６１）は希土類及び遷移金属を主体とする非晶質の合金からなり、該合金の磁気の配列がフェロ磁性型であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気メモリ。
【請求項８】
前記固定層（６１）はサマリウム及びコバルトの合金からなることを特徴とする請求項７に記載の磁気メモリ。
【請求項９】
各メモリポイントは、前記自由層（６３）とトランジスタ（６６）に接続された導体（６８）との間に位置すると共に非磁性金属層（６５）により前記自由層から離隔された偏極層（６４）と称される付加的なフェロ磁性層を更に備えることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の磁気メモリ。
【請求項１０】
前記付加的な偏極層（６４）はＭＴＪ（６０）を形成している各層の面に垂直な磁化を有していることを特徴とする請求項９に記載の磁気メモリ。
【請求項１１】
前記付加的な偏極層（６４）はＭＴＪ（６０）を形成している各層の面に平行な磁化を有していることを特徴とする請求項９に記載の磁気メモリ。
【請求項１２】
前記付加的な偏極層（６４）はテルビウム及びコバルトの合金からなることを特徴とする請求項９乃至１１のいずれかに記載の磁気メモリ。
【請求項１３】
各メモリポイントが一方の表面で導体（６７）と、底部で選択トランジスタ（６６）とそれぞれ接触しており、対象とされるメモリポイントの位置への書き込みが、前記固定層（６１）によりスピン偏極される強い強度の電流パルスを前記導体（６７）へ送ることにより実行されことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載の磁気メモリ。
【請求項１４】
前記電流のスピン偏極は前記付加的な偏極層（６４）により更に確実にされることを特徴とする請求項１３に記載の磁気メモリ。
【請求項１５】
請求項１乃至１４のいずれかに記載の磁気メモリにより形成されることを特徴とするランダムアクセス磁気メモリ。
【請求項１６】
各メモリポイントが磁気トンネル接合（６０）で形成されており、
- 固定磁化を有するいわゆる固定磁性層（６１）と、
- 磁化を反転させることが可能ないわゆる自由磁性層（６３）と、
- 前記自由層（６３）と前記固定層（６１）との間に挟まれており、これらの２層それぞれと接触している絶縁層（６２）と
を備え、
各メモリポイントが一方の表面で導体（６７）と、底部で選択トランジスタ（６６）とそれぞれ接触している磁気メモリへの書き込み方法において、
- 実質的に面内磁化を有する前記自由層（６３）を希土類及び遷移金属を主体とする非晶質又はナノ結晶であり、磁気の配列がフェリ磁性型である合金から形成し、
- 書き込みが行なわれるべきメモリポイントの位置において、前記対応する導体へ前記メモリポイントの固定層がスピン偏極を確実にする強い強度の電流パルスを、前記対象となるトランジスタを経由して加熱電流を、同時に送ること
を特徴とする磁気メモリへの書き込み方法。
【請求項１７】
磁気トンネル接合（６０）でそれぞれが形成されたメモリポイントを有する請求項１６に記載の磁気メモリへの書き込み方法において、前記電流パルスのスピン偏極が、前記自由層（６３）とトランジスタ（６６）に接続された導体（６８）との間に位置すると共に非磁性金属層（６５）により前記自由層から離隔された付加的な偏極層（６４）により更に確実にされることを特徴とする磁気メモリへの書き込み方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁気メモリの分野に関し、特に、電子システムへのデータの格納及び電子システムからのデータの読み出しが可能な不揮発性のランダムアクセス磁気メモリに関する。より詳しくは、本発明は、磁気トンネル接合によって構成されるＭＲＡＭと称される磁気ランダムアクセスメモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
キャパシタの充電状態に基づくメモリ（ＤＲＡＭ，ＳＲＡＭ，フラッシュメモリ）は、元素トランジスタのサイズが小さくなるに伴なって、イオン化放射線（たとえば宇宙線等）の影響を益々受け易くなってきている。また、強誘電体に基づくメモリ（ＦＲＡＭ）は経年劣化の問題が深刻である。磁気−電子分野における近年の研究開発の結果は、磁気接合の磁気抵抗に基づく新規なタイプのメモリを設計することを可能にした。換言すれば、これらの新規なメモリの動作原理は、もはや電荷の蓄積には基づいておらず、メモリを構成する元素の磁化の相対的方向に基づいている。このような磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）は、高速であること（書き込み及び読み出し時間が数ナノ秒）、不揮発性であること、書き込み及び読み出しを繰り返しても劣化がないこと、イオン化放射線の影響を受け難いこと等の多くの長所を有している。磁気ランダムアクセスメモリは、まずフラッシュメモリと置き換えられ、長期的にはＤＲＡＭ及びＳＲＡＭに代わって汎用メモリとなるものと目されている。
【０００３】
最初の磁気メモリでは、メモリポイントは、何層かの磁性及び非磁性の金属層を交互に積層してなる、いわゆる巨大磁気抵抗素子で構成されていた。このタイプの構造の詳細は、基本的な構造については特許文献１及び特許文献２に、またそのような基本構造からのＲＡＭの形成については特許文献３にそれぞれ開示されている。このタイプのメモリは、その構造ゆえに、不揮発性メモリを単純な技術で構成することを可能にするが、限られた容量しか有することができない。実際、メモリ素子を各配線に沿って連続的に接続すると、素子数の増加に伴なって信号が益々小さくなってしまうため、集積化の可能性には限界がある。
【０００４】
最も簡潔な形態としての保磁力が異なる二つの磁性層を薄い絶縁層で離隔してなる磁気トンネル接合（ＭＴＪ）の各メモリポイントへの使用が最も将来性が有望な構造である。このような構造については非特許文献１に開示があり、より最近では非特許文献２及び非特許文献３に開示がある。これらの構造のＭＲＡＭの製造への使用は特許文献４に最初に開示されている。
【０００５】
現時点で、最も有望であると思われる構造は特許文献５及び非特許文献４に記載されている構造であり、その原理の概要が図１に示されている。図１から理解されるように、各素子、即ちメモリポイント１０は、ＣＭＯＳトランジスタ１２とＭＴＪ接合１１との組み合わせで構成される。このＭＴＪ接合１１は少なくとも、自由層と称される１層の磁性層２０と、１層の薄い絶縁層２１と、固定層と称される１層の磁性層２２とを備える。二つの磁性層は３ｄ族の金属（Fe，Co，Ni）及びこれらの合金を主体として形成されることが好ましく、絶縁層はアルミナ（Al2O3)で形成されることが好ましいが、これらに限定されない。磁性層２２は固定層２２の機能を有する反強磁性層２３を組み合わせることが好ましく、この場合には書き込み時の固定層２２の磁化反転を防止できる。更に、たとえば特許文献６に開示されているように、層２２自身がいわゆる合成反強磁性層を形成するために複数の層から形成されていてもよい。これらの全ての変形例は、その他の変形も含めて当業者のよく知るところである。
【０００６】
この図１の構造は、更に三つの配線層を備えている。二つの配線層１４（ワード線）及び１５（ビット線）は、一般的には相互に９０°の角度に配置されており、書き込みプロセスにおいて磁界を生成して層２０の磁化反転を可能にするための電気パルスを伝達する目的で設けられている。パルス磁界は、１０ｍＡオーダーの強度を有する短い電流パルス（通常、２乃至５ナノ秒）を配線１４及び１５に沿って送ることにより生成される。これらのパルスの強度及び同期は、これらの２本の配線の交点に位置するメモリポイントの磁化のみが反転するように調節される。各メモリ素子を個別に指定できるように、付加的な配線層１６（制御線）が読み出しの際にトランジスタ１２のチャンネルの開閉を制御する目的で設けられている。トランジスタ１２はスイッチとして使用される。
【０００７】
書き込みモードにおいては、選択されたトランジスタ１２は阻止状態、即ちオフ状態であり、電流は流れていない。電流パルスＩが、選択されたメモリポイント１０に対応する２本の配線１４及び１５へ送られる。電流パルスＩの大きさは生成される磁界が、２本の配線による共同の寄与がメモリポイントの層２０の磁化を反転させるのに充分である配線１４及び１５の交点を除いて、配線１４又は１５上の各メモリポイントを反転させるには不充分である。
【０００８】
読み出しモードにおいては、制御線１６を通じて正の電流パルスをベースに送ることによりトランジスタ１２が飽和、即ちオン状態となり、トランジスタ１２を流れる電流が最大になる。このとき、トランジスタ１２がオン状態となっているメモリポイントのみを横切って流れることができる測定電流が配線１４へ送られる。この電流により、選択されたメモリポイント１０の接合１１の抵抗が測定される。ここでは説明しなかったが、参照用メモリポイントとの比較により、メモリポイント１０の対応する状態（１又は０）がこのようにして判定される。
【特許文献１】
米国特許第４，９４９，０３９号
【特許文献２】
米国特許第５，１５９，５１３号
【特許文献３】
米国特許第５，３４３，４２２号
【特許文献４】
米国特許第５，６４０，３４３号
【特許文献５】
米国特許第６，０２１，０６５号
【特許文献６】
米国特許第５，５８３，７２５号
【特許文献７】
米国特許第５，６９５，８６４号
【非特許文献１】
フィジックス  レターズ（Physics Letters） 、第５４巻Ａ（１９７５年）、２２５頁
【非特許文献２】
ジャーナル  オブ  マグネティズム  マグネティック  マテリアルズ（Journal of Magnetism and Magnetic Materials） 、第１３９巻（１９９５年）、Ｌ１３９頁
【非特許文献３】
フィジカル  レビュー  レターズ（Physical Review Letters） 、第７４巻（１９９５年）、３２３７頁
【非特許文献４】
ジャーナル  オブ  アプライド  フィジックス（Journal of Applied Physics）、第８１巻（１９９７年）、３７５８頁
【非特許文献５】
ジャーナル  オブ  マグネティズム  マグネティック  マテリアルズ（Journal of Magnetism and Magnetic Materials） 、第１５９巻（１９９６年）、Ｌ１頁
【非特許文献６】
サイエンス（Science） 、第２８５巻（１９９９年）、８６７頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
これらのメモリポイントへの書き込みプロセスに関する以上の説明から、そのような構成の限界は以下のように明白に理解可能である。
【００１０】
書き込みが外部の磁界により確実にされるので、各メモリポイントそれぞれのスイッチング磁場の値に左右される。全メモリポイントに関するスイッチング磁場の分布関数が広い場合（実際、製造上の制約からスイッチング磁場は均一ではない）、分布内の下の部分にあって行又は列のみにより生成される磁界よりも小さいスイッチング磁場を有し、対応する行及び／又は列に位置するいくつかのメモリポイントが偶然に反転してしまう虞があるので、選択されたメモリポイントの磁界を分布内の最大のスイッチング磁場よりも更に大きくしなければならない。逆に、行又は列のみにより書き込まれてしまうメモリポイントがないことを確実にしようとした場合、これらのメモリポイントに関して分布内の下の部分に対応する磁界を絶対に越えないように書き込み電流を制限しなければならず、スイッチング磁場が分布内の上の部分にある場合、前記の行及び列の交点の選択されたメモリポイントへの書き込みが行なわれない虞がある。換言すれば、導線の行及び列によって磁界を選択するこの構成では書き込みアドレス指定の誤りが生じやすい。メモリポイントの性状（形状，不均一性，欠陥）が磁化の反転を支配しているので、メモリポイントの寸法が小さくなるに伴なってスイッチング磁場の分布関数は益々広くなると考えられ、この影響は将来の製品の世代において悪化する一方である。
【００１１】
一般的に、メモリポイントのサイズが小さくなるに伴なってスイッチング磁場の平均値が大きくなることを考えると、将来の製品の世代においては電流は非常に大きくなると予想される。従って、これらメモリの動作に必要とされる電力は集積化が進むに伴なって益々大きくなる。
【００１２】
上述した９０°の位置関係にある２つの電流線による書き込みモードは３つの配線層を必要とする。特に、トランジスタの制御線は、下側の配線（書き込みに必要）に対してオフセットさせなければならず、集積化の可能性を小さくする。
【００１３】
最後に、この書き込みモードは、アドレス指定の誤りの危険性を極力小さくするため、に１度に一つのメモリポイントにしか書き込みができない。
【００１４】
この構成に対する代替案が既に提案されている。それは、書き込みを行なうためのメモリポイントのアドレス指定のためにはもはや外部の磁界ではなく、スピン偏極電流を使用する。実際、スピン偏極電流が、偏極キャリアとシステムの磁気モーメントとの間の角スピンモーメントの伝達によって歳差運動を引き起こしたり、または磁化の反転さえ引き起こしたりできることが非特許文献５において予測されていた。より最近では、この効果はより小さいサイズ（＜１００ｎｍ）の全金属構造においても非特許文献６に記載のように実験的に確認されている。最後に、この技術を利用した磁気メモリが特許文献７に記載されている。この構成では、図２から理解されるように、メモリポイント３０はＭＴＪ接合３１及びＣＭＯＳトランジスタ３２を備えるが、二つの配線層３３及び３４しか存在せず、配線３３が読み出し及び書き込みのための電流導線に対応し、配線３４が各メモリポイント３０を個別にアドレス指定することが可能なトランジスタ制御に対応する。トランジスタ３２はスイッチとして使用される。
【００１５】
ＭＴＪ３１は、前述した従来技術と同様に、いわゆる自由磁性層４０と、薄い絶縁層４１と、いわゆる固定磁性層４２とを備え、更に、層４２の磁化を固定された方向に固定するための反強磁性層４３を備える。付加的な書き込み電流偏極磁性層４４を、磁性層４０の側に低抵抗の非磁性層４５により磁性層４０から離隔して追加して設けることが有利である。
【００１６】
読み出しモードにおいては、システムは従来技術と同様に動作し、アドレス指定されるべきメモリポイント３０に対応するトランジスタ３２が、ベースに制御線３４を経由して電流パルスを送ることによって飽和、即ちオンモードにされる。ここで、小さい強度の測定電流が配線３３へ送られ、トランジスタ３２がオン状態にある１個のメモリポイントのみを横切って流れる。この電流により、選択されたメモリポイント３０の接合３１の抵抗が測定される。測定した抵抗を、ここでは説明していない参照用のメモリポイントと比較することにより、メモリポイント３０の対応する状態（１又は０）が判定される。
【００１７】
書き込みモードにおいては、動作は前述した従来技術とは根本的に異なる。選択されたトランジスタ３２が、制御線３４へ電流パルスを送ることにより飽和、即ちオンモードにされる。ここで、強い強度の書き込み電流が配線３３へ送られ、選択されたメモリポイント３０のみを横切る。書き込み電流は磁性層４２（又は４４）を通過する際に電流の方向に応じて偏極され、磁性層４０を貫通する電子のスピンは大部分が層４２（又は４４）の磁化方向に向けられる。この強くスピン偏極された電流の大きさが充分である場合は磁性層４０の磁化が反転される。飽和、即ち「オン」モードであるトランジスタを有するメモリポイントのみが書き込み電流を伝導するので、スピン偏極された電流による書き込みは、本質的に１つのメモリポイントに限られ、アドレス指定の誤りは本質的にありえない。従って、この書き込みモードは、従来技術に開示されている方法に比して、再生可能性が極めて高い。この技術の更に他の長所は、現在有効である理論モデルによれば、メモリポイントの磁化反転に必要とされる電流密度が、材料に固有の特性ではなく、従って形状及び欠陥の存在可能性に依存するスイッチング磁場（ＨC ）に左右されるのではなく、材料固有の特性であってより容易な方法で演繹的に制御可能な磁気異方性（ＨK ）であるという点である。特に、磁気異方性（ＨK ）はメモリポイントのサイズ及び形状からは独立しており、従って、電流配線によって生成される磁界を利用する従来技術ではメモリポイントのサイズが小さくなると書き込みに必要な電流、即ち電流消費が増加してしまうのと対照的に、将来の製品の世代に期待されているようにメモリポイントのサイズが小さくなっても、臨界の電流密度は一定のままである。最後に、一度にいくつかのメモリポイントに書き込みを行なうことが可能であり、データの伝達速度を低くすることができる。
【００１８】
残念なことにこの構成は今のところは未だ深刻な制約を抱えている。実際、偏極された電流の注入による磁化の反転はかなりの電流密度を必要とし、これは全金属構造にとっては電力消費が大きいという点を除いては問題ではないが、ＭＴＪ型のトンネル構造では、接合を横切る電圧が通常の絶縁破壊電圧（絶縁層４１の厚さにもよるが、約１Ｖ）よりも高くなってしまう。主な理由は特許文献５に提示された、他の構造パラメータに従って臨界電流を表わした下記式（１）によって与えられる。
【００１９】
【数１】
2005503669.tif 000003
【００２０】
ここで、αは減衰係数であり、ηはスピン偏極ファクタであり、ｔは磁性層の厚さであり、ＨK は一軸磁気異方性磁界であり、ＭS は磁性層の磁化である。この式において、磁性層４０の反磁場の項に相当する項２πＭS は、磁化の反転を観測するために必要な電流密度を大きく増加させる。この影響は、層４０の磁化の反転に際して、この磁化が当初の方向の周囲を円錐状に歳差運動し、反転を達成するために層の面から出てくることを考えれば理解することができる。スイッチング磁場においては、この歳差運動のために層４０の磁化が層の面に対してほぼ垂直となるので、反磁場が大きくなるに伴なって益々困難になる。
【００２１】
本発明の目的は、詳しくは、絶縁破壊を防止すると共に、メモリの電力消費を最小とするために、書き込みに必要な電流密度を大きく減少させることにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明は、書き込みに必要なしきい値電流密度を可能な限り低くするために反磁場を最小化するＭＴＪ型の構造を提供する。この目的のため、図１及び図２に関連して説明した３ｄ族の金属（Fe，Co，Ni）及びこれらの合金を主体とする通常のフェロ磁性層２０，２２及び４０，４２を、以下においてフェリ磁性非晶質合金（ＦＡＡ）と称する希土類及び遷移金属を主体とした非晶質（アモルファス）の合金で置き換える。
【００２３】
従って本発明は、磁気トンネル接合でそれぞれが形成されたメモリポイントを有し、
- 固定磁化を有するいわゆる固定磁性層と、
- 磁化を反転させることが可能ないわゆる自由磁性層と、
- 自由層と固定層との間に挟まれており、これらの２層それぞれと接触している絶縁層と
を備えた磁気メモリを提供する。
【００２４】
本発明によれば、自由層は希土類及び遷移金属を主体とする非晶質又はナノ結晶の合金からなり、前記の合金の磁気の配列がフェリ磁性型であり、前記の自由層が実質的に面内磁化を有する。
【００２５】
「面内磁化」は、磁気モーメントが着目されている層の面内に位置している状態、または実質的に面内に位置している状態を意味するものとして使用され、前記の面に対する角度が１０乃至３０°であればこの定義に含まれると考えられる。
【００２６】
本発明によれば、メモリポイントへの書き込みは、各メモリポイントのそれぞれに配された導体を介して、電子が固定層によりスピン偏極される電流を注入することにより実行される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明の前記の目的、特徴及び長所について、いくつかの実施の形態及び添付の図面によって以下に詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００２８】
以下で簡潔に確認するが、本発明によるメモリの動作は、ＦＡＡ材料の使用及びＦＡＡ材料に関する固有の特性の利用に基づいている。図３（ａ）から認められるように、巨視的なＦＡＡ層５５の磁化５０は二つの部分に分解することができ、一つが希土類原子副格子の寄与分５１であり、一つが遷移金属原子副格子の寄与分５２である。概略的には、巨視的な磁化５０は二つの副格子５１と５２とのベクトル和となる。
【００２９】
更に、希土類格子の磁化５１と遷移金属副格子の磁化５２とは相互に強固に結合しており、副格子５１及び５２の一方の選択的な励磁による巨視的な磁化５０の反転又は再配向の際に一体的に振る舞う。
【００３０】
更に、希土類及び遷移金属の化学的性質及び組成比を妥当に選択すれば、磁気の配列はフェリ磁性型、即ち、希土類原子副格子の磁化５１が一方向を向き、遷移金属副格子の磁化５２が逆方向を向くようになる。図３（ａ）から理解されるように、二つの副格子の磁化５１及び５２の絶対値が等しくない場合は、全体として、ＦＡＡの巨視的な磁気モーメント５０はゼロではなくなる。
【００３１】
更に、図３（ｂ）から理解されるように、希土類副格子の磁化５１の温度に対する変化は、遷移金属の磁化５２のそれとは大きく異なっており、その結果として、巨視的な磁化における二つの副格子の寄与の度合いが温度に伴って変化することになる。通常は、希土類副格子の磁化５１は、遷移金属副格子の磁化５２よりも迅速に減少する。希土類及び遷移金属の化学的性質及び組成比を、二つの副格子の磁化５１及び５２が反平行になるように妥当に選択すれば、二つの磁化が完全に相殺しあう温度、即ち二つの磁化が同一の大きさで且つ異なる符号を有する補償温度５３と称される温度が巨視的な磁化５０に存在することになる。補償温度を下回る場合は希土類副格子５１が支配的であり、巨視的な磁化５０の方向を規定する。補償温度を上回る場合は遷移金属副格子５２が支配的であり、巨視的な磁化５０の方向を決定する。
【００３２】
更に、補償温度５３においては、保磁磁界が発散して無限大になる傾向がある。補償温度の両側において、保磁磁界は、温度が補償温度５３に近ければ近いほど迅速に減少する。
【００３３】
更に、遷移金属副格子の磁化５２に主要に寄与している電子は伝導電子（３ｄ電子）であり、即ち電流の伝導を担っている。しかしながら、希土類副格子の磁化５１に関与する電子は内殻レベルの電子（４ｆ電子）であり、局在し、他の系の電子で強く遮蔽されている。
【００３４】
最後に、これらのＦＡＡの固有の特性（巨視的な磁化、磁気異方性、保磁磁界）は、含有される元素の化学的性質及びそれぞれの濃度により極めて容易に調整することができる。この目的のために、一般的には遷移金属、高融点金属又は希土類、たとえばMO，Ta，Nb，Zr，Pt，Dy及びSmを、これらに限定されるものではないが、置換元素として少量添加してもよい。このような調節は、特に、本発明で説明する構造の自由層に必要とされる面内磁化を有する材料を得ることを可能にする。
【００３５】
本発明において考えられるＦＡＡの内の、これに限定されるものではないが、フェリ磁性配列及び小さな磁気結晶異方性を想起し、組成を妥当に選択すれば補償温度がメモリの動作温度に近くなるガドリニウム（Gd）及びコバルト（Co）からなるたとえば、これに限定されるものではないが、Gd30Co70のような非晶質（アモルファス）の合金が優先的に見出される。
【００３６】
図４（ａ）から理解されるように、本発明に係る磁気メモリのメモリポイントは、固定された磁化を有する磁性層６１と、アルミナからなる絶縁層６２と、メモリポイント６０への書き込みを行なうために磁化が反転させられることが要求されるＦＡＡ合金層６３とを備えるＦＡＡタイプのＭＴＪ６０で形成されている。従来技術と同様に、電流導体配線６７がメモリポイント６０上に位置しており、電流線６８によって制御されるトランジスタ６６がメモリポイント６０の下に位置している。
【００３７】
図４（ｂ）から理解されるように、固定層６１の磁化を阻止するため、反強磁性層６９を固定層６１上に設けることが好都合である。
【００３８】
更に、図４（ｂ）から理解されるように、付加的な磁性偏極層６４を、たとえば金等の非磁性金属層６５で層６３から離隔して層６３の下に配置してもよい。この付加的な偏極層６４は、たとえばテルビウム及びコバルトの合金を主体として形成されており、ＭＴＪ６０を構成する各層の面に平行又は垂直な磁化を有していてもよい。この層はまた、書き込み時に、電流パルスが下側の電流線、特にトランジスタ６６と接続された導体６８によって運ばれる場合に、この電流パルスの偏極を確実にすることを目的としている。
【００３９】
磁性層６１を層６３と同様のＦＡＡ合金で、又は層６３とは異なる、たとえばテルビウム及びコバルトを主体とする、大きいスイッチング磁場を有するＦＡＡ合金で形成すれば好都合である。層６４及び６５の化学的性質はシステムの動作においてはあまり重要ではない。
【００４０】
図４（ａ）のメモリポイント６０の拡大図である図５に示すように、書き込み手順は以下のようになる。
【００４１】
大きな大きさの書き込み電流８０がＭＴＪ６０へ注入される。磁化を反転させようとする層６３へ流れ込む時に電流８０は層６１を通過することにより強くスピン偏極される。層６３の前述した電気的特性に特有の性質を考えると、書き込み電流８０によって注入された強くスピン偏極された電子は、主として遷移金属の副格子７２に相互作用し、注入された電流８０の偏極キャリアと前記の遷移金属副格子７２の原子の磁気モーメントとの間で角スピンモーメントの伝達を引き起こす。希土類原子副格子７１においては、磁性の原因である電子が強く遮蔽されている性質であるために、前記の電子への書き込み電流８０の相互作用は極めて小さい。従って、注入された電流８０は、主に層６３の一方向、即ち遷移原子副格子７２の方向への磁化のみを伝達し、前記の電流８０に必要とされる大きさ及び持続期間が守られていれば、前記の副格子の反転を可能にする。副格子７１と７２との間の結合が強いため、副格子７１は注入された電流８０により少しは励磁されるが、副格子７２に従って、層の磁化６３の完全な反転を可能にする。
【００４２】
偏極層６４の磁化は、本質的には面内であってもよく、面に垂直でもよいことを記しておかなければならない。現在有効なモデルによれば、磁化が面内である場合、自由層６３の磁化は、自由層へ注入された電子のスピン方向によって決定される軸の周囲を歳差運動し、その後にこの方向と平行に減衰する。従って、電流パルスの持続期間は、実行されるべき歳差運動を可能にし、その後に減衰を可能にするために充分に長くなければならない。偏極層の磁化が面に垂直である場合、自由層の磁化は、層の面に垂直な軸の周囲を歳差運動する、換言すれば、前記の自由層の面内に残る。従って、自由層の磁化を面内で１８０°反転させたい場合は、書き込み電流パルスの持続期間は、磁化が面内で半回転の歳差運動のみを行なうように調節されなければならない。
【００４３】
読み出しに際しては、小さい大きさの測定電流８１がＭＴＪ６０へ注入され、ＭＴＪ６０の抵抗値が、図３には示されていないが従来技術と同様に、参照用セルと比較されることにより読み出される。ここでも再び、ＦＡＡの電気的特性の固有の性質が利点になる。即ち、前述と同様の理由で、読み出し電流８１によって注入された電子の拡散の大部分が遷移原子副格子７２にリンクされ、副格子７２の磁化が一方の方向又は逆の方向のいずれを向いているのかによってメモリポイント６０の状態が区別できる。更に、トンネル磁気抵抗は本質的に磁性層６１及び６３と絶縁層６２との界面に、即ちこの界面の両側の数枚の原子面にのみ関係していることは当業者にとっては周知のことであるので、非晶質の本質ゆえの層６３の強い電気抵抗はここで使用されている形態においては障害にはならない。
【００４４】
このように、本発明によって得られたシステムが、低い巨視的な磁化を維持しつつスピン偏極した電流による書き込みを可能にし、その結果、前記の書き込み電流の絶対値を小さくすることができることから、本発明の利点が理解される。巨視的な磁化の値は、用いられているＦＡＡ合金の化学的性質及び／又は組成によって容易に制御することができ、書き込み電流を意のままに調節することができる。特に、書き込み電流を、ＭＴＪに加わる電圧が前記の限界値を超えないように選択することができる。
【００４５】
好ましくは、書き込み電流とこの強い抵抗率との組み合わせが引き起こす局所的加熱の使用によって書き込み電流を更に減少させるというＦＡＡの強い抵抗率の利点も得られる。ＦＡＡが賢明に選択されれば、上述のような加熱が一方では希土類副格子７１の寄与分を遷移金属副格子７２の寄与分に対して局所的に減少させることができ、他方では遷移金属副格子のスイッチング磁場を低くすることができる。
【００４６】
磁性層６１はＦＡＡ合金、好ましくは、固定層６９を不要にするために、強いスイッチング磁場を有するＦＡＡ合金で形成するように選択することが有利である。好ましくは、層６１はテルビウム及びコバルトの合金、又はサマリウム及びコバルトの合金で形成することができるが、これらに限られるわけではない。
【００４７】
このように、ＦＡＡの各成分の濃度及びメモリポイントの動作温度を変えることにより、メモリの動作温度における磁気モーメントが小さくなるようにＦＡＡを自在に調節でき、そのように調節したＦＡＡを用いることによって、磁気トンネル接合の絶縁破壊の虞なしに、書き込み時に印加する電流密度を大幅に低減できることが理解できる。実際に、スピン偏極電流による書き込みを利用することができ、それに関連する利点を享受することができる。
【００４８】
電流線の内の１つをなくすことができ、その結果、選択用トランジスタをメモリポイントの下に置くことができ、集積度を高めることができる。
【００４９】
各メモリポイントを独立してアドレス指定することができ、アドレス指定の誤りを完全になくすことができる。これは、通常の交差導体による技術では実現することができなかった。
【００５０】
更に、面内磁化、即ち層の面内の磁化を有する自由層の使用により、書き込みのためのパルス持続期間を短くすることができ、従ってこの形式のメモリの書き込みの速度を最適化する。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】ＭＴＪによって形成されたメモリポイントを有する従来技術の磁気メモリの概略の構成を示す図である。
【図２】本発明の偏極電流による書き込みを実行することができる磁気メモリの概略の構成を示す図である。
【図３（ａ）】ＦＡＡの磁化について概略を示す図である。
【図３（ｂ）】温度に対するＦＡＡの磁化の変化の曲線を示す図である。
【図４（ａ）】本発明の第１の実施の形態による磁気メモリの概略を示す図である。
【図４（ｂ）】本発明の第２の実施の形態による磁気メモリの概略を示す図である。
【図５】図４（ａ）のメモリポイントのより詳細を示した概略図である。
【図３（ｂ）】
2005503669.tif 000004
【国際公開パンフレット】
2005503669.tif 000005
2005503669.tif 000006
2005503669.tif 000007
2005503669.tif 000008
2005503669.tif 000009
2005503669.tif 000010
2005503669.tif 000011
2005503669.tif 000012
2005503669.tif 000013
2005503669.tif 000014
2005503669.tif 000015
2005503669.tif 000016
2005503669.tif 000017
2005503669.tif 000018
2005503669.tif 000019
2005503669.tif 000020
2005503669.tif 000021
2005503669.tif 000022
2005503669.tif 000023
2005503669.tif 000024
2005503669.tif 000025
2005503669.tif 000026
2005503669.tif 000027
2005503669.tif 000028
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2005503669.tif 000029
2005503669.tif 000030
【国際調査報告】
2005503669.tif 000031
2005503669.tif 000032
2005503669.tif 000033
2005503669.tif 000034
2005503669.tif 000035
2005503669.tif 000036
2005503669.tif 000037
2005503669.tif 000038
2005503669.tif 000039
2005503669.tif 000040