(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
自由に整列させることができる磁化を有する軟強磁性層としてのセンス層と、第１の低温しきい値では固定され、第１の高温しきい値では自由に整列可能な磁化を有する第１の硬強磁性層としての第１の記憶層との間に第１のトンネル障壁層を備えるマルチレベル磁気素子において、
第２のトンネル障壁層と、前記第１の低温しきい値では固定され、第２の高温しきい値では自由に整列可能な磁化を有する第２の硬強磁性層としての第２の記憶層とをさらに備え、前記センス層が前記第１のトンネル障壁層と前記第２のトンネル障壁層の間に備えられること、及び
前記第１の記憶層の第１の所定の高温しきい値が、前記第２の記憶層の第２の所定の高温しきい値よりも高い当該マルチレベル磁気素子。
【請求項２】
前記第１のトンネル障壁層が、前記第２のトンネル障壁層の第２の接合抵抗面積積に実質的に等しい第１の接合抵抗面積積を有する請求項１に記載の磁気素子。
【請求項３】
前記第１の記憶層と前記第２の記憶層が、異なる磁気モーメントを有する請求項１に記載の磁気素子。
【請求項４】
磁気素子への書き込みを行うための方法において、
前記磁気素子が、自由に整列させることができる磁化を有する軟強磁性層としてのセンス層と、第１の低温しきい値では固定され、第１の高温しきい値では自由に整列可能な磁化を有する第１の硬強磁性層としての第１の記憶層と、前記センス層と前記第１の記憶層の間にある第１のトンネル障壁層と、前記第１の低温しきい値では固定され、第２の高温しきい値では自由に整列可能な磁化を有する第２の硬強磁性層としての第２の記憶層と、第２のトンネル障壁層とを備え、前記センス層が前記第１のトンネル障壁層と前記第２のトンネル障壁層の間に備えられ、
前記方法が、前記磁気素子を前記第１の高温しきい値に加熱するステップと、第１の書き込み磁場に従って前記第１の記憶層の磁化および前記第２の記憶層の磁化を整列させるために、第１の書き込み磁場を印加するステップと、前記第１および第２の記憶層の磁化をそれらの整列状態で凍結するために、前記磁気素子を第１の低温しきい値に冷却するステップとを有すること、及び
前記第１の所定の高温しきい値が前記第２の所定の高温しきい値よりも高く、前記方法が、前記磁気素子を前記第２の高温しきい値に冷却するステップと、第２の書き込み磁場に従って前記第２の記憶層の磁化を整列させるために、第２の書き込み磁場を印加するステップとをさらに有する結果、４つまでの異なる状態レベルを前記磁気素子に書き込むことができる当該方法。
【請求項５】
前記第１の書き込み磁場が前記第２の書き込み磁場の方向と逆方向に向けられる結果、前記第１の記憶層の磁化が前記第２の記憶層の磁化と逆方向に整列される請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記第１の書き込み磁場が前記第２の書き込み磁場の方向と同方向に向けられる結果、前記第１の記憶層の磁化が前記第２の記憶層の磁化の方向と同方向に整列される請求項４に記載の方法。
【請求項７】
請求項４〜６のいずれか１項に記載の方法によって書き込まれた磁気素子からの読み出しを行うための方法において、
前記磁気素子が、自由に整列させることができる磁化を有する軟強磁性層としての前記センス層と、第１の低温しきい値では固定され、第１の高温しきい値では自由に整列可能な磁化を有する第１の硬強磁性層としての第１の記憶層と、前記センス層と前記第１の記憶層の間にある第１のトンネル障壁層と、前記第１の低温しきい値では固定され、第２の高温しきい値では自由に整列可能な磁化を有する第２の硬強磁性層としての第２の記憶層と、第２のトンネル障壁層とを備え、前記センス層が前記第１のトンネル障壁層と前記第２のトンネル障壁層の間に備えられ、
前記方法が、第１の読み出し磁場に従って前記センス層の磁化を第１の整列方向に整列させるために、第１の読み出し磁場を印加するステップと、前記磁気素子の第１の抵抗を測定するステップと、第２の読み出し磁場に従って前記センス層の磁化を第２の整列方向に整列させるために、第２の読み出し磁場を印加するステップと、前記磁気素子の第２の抵抗を測定するステップとを有する当該方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気トンネル接合に基づく磁気素子であって、４つの異なる状態レベルを書き込むことが可能であり、かつ耐久性の高い磁気素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気トンネル接合を備える磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セルの開発により、これらのＭＲＡＭの性能が大幅に高められており、また動作モードの数が大幅に増やされている。そのようなＭＲＡＭセルは、特許文献１に記載されている。そのようなＭＲＡＭセルは、典型的には、第１の強磁性層と第２の強磁性層の間にトンネル障壁層を有する磁気トンネル接合を備える。磁気トンネル接合は、一端で第１の電流線に電気的に接続され、他端で選択ＣＭＯＳトランジスタに電気的に接続される。ＭＲＡＭセルは、さらに、第１の電流線に直交に配設された第２の電流線を備えることがある。
【０００３】
ＭＲＡＭセルの書き込み操作中、例えば外部磁場を印加することによって第１の磁性層の磁化方向が切り換えられる。熱アシスト（ＴＡ）書き込み操作では、第１の磁性層の磁化方向の切換えは、磁気トンネル接合が臨界温度以上に加熱されているときに行われる。次いで、磁気トンネル接合は、第１の磁性層磁化が書き込み方向で「凍結（ｆｒｏｚｅｎ）」される臨界温度未満に冷却される。
【０００４】
読み出し操作中、第２の強磁性層の磁化方向を第１の強磁性層の書き込み磁化方向と比較することができる。これは通常、磁気トンネル接合を通して読み出し電流を流し、磁気トンネル接合の抵抗を測定することによって行われる。低い測定接合抵抗（またはレベル状態「０」）は、第１の強磁性層の磁化方向に平行に向けられた第２の強磁性層の磁化方向に対応する。高い測定接合抵抗（またはレベル状態「１」）は、第１の強磁性層の磁化方向に反平行に向けられた第２の強磁性層の磁化方向に対応する。高い接合抵抗と低い接合抵抗の値の差、またはトンネル磁気抵抗は、強磁性層を構成する材料、および場合によってはこれらの強磁性層に対して行われる熱処理に応じて決まる。
【０００５】
上述したように２つのレベル状態「０」と「１」よりも多くのレベル状態を書き込むことができるようにするマルチレベル状態書き込み操作を用いるＭＲＡＭセルも提案されている。マルチレベル状態書き込み操作を用いるそのようなＭＲＡＭセルは、特許文献２に開示されている。ここで、第２の強磁性層または記憶層の磁化は、第１の強磁性層または基準層の磁化方向に平行な方向と反平行な方向との間の任意の中間方向に向けることができる。記憶層の磁化を中間方向に向けることは、第１および第２の電流線の垂直方向に沿って適切な相対強度で磁場を発生させることによって実現することができる。しかし、そのようなマルチレベルＭＲＡＭセルは、少なくとも２つの電流線を必要とし、セルの複雑さを増す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第５６４０３４３号明細書
【特許文献２】米国特許第６９５０３３５号明細書
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｊ．Ａｐｐ．Ｐｈｙｓ．９９  ０８Ｎ９０１（２００６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、第１のトンネル障壁層と第２のトンネル障壁層の間に配設された軟強磁性層と、第１の記憶層と、第２の記憶層とを備えることができる。
【０００９】
本発明はさらに、自由に整列させることができる磁化を有する軟強磁性層と、固定磁化を有する第１の硬強磁性層との間に第１のトンネル障壁層を備えるマルチレベル磁気素子であって、第１のトンネル障壁層と第２のトンネル障壁層の間に軟強磁性層があるように第２のトンネル障壁層をさらに備え、また、固定磁化を有して第２のトンネル障壁層に隣接する第２の硬強磁性層を備えるマルチレベル磁気素子に関する。
【００１０】
一実施形態では、第１および第２の硬強磁性層は、それぞれ第１の所定の高温しきい値および第２の所定の高温しきい値で自由に整列させることができる磁化を有することができ、それにより、書き込み操作中、前記磁気素子が第１の所定の高温しきい値に加熱され、第１の記憶層の磁化が第１の方向に整列され、次いで前記磁気素子が第２の所定の高温しきい値に冷却され、第２の記憶層の磁化が第２の方向に整列され、それにより４つまでの異なる状態レベルを磁気素子に書き込むことができる。
【００１１】
別の実施形態では、第１の反強磁性層の第１の高温しきい値が、第２の反強磁性層の第２の高温しきい値に実質的に等しいことがある。
【００１２】
さらに別の実施形態では、第１のトンネル障壁層が、第２のトンネル障壁層の第２の接合抵抗面積積に実質的に等しい第１の接合抵抗面積積を有することができる。
【００１３】
さらに別の実施形態では、第１の反強磁性層の第１の所定の高温しきい値が、第２の反強磁性層の第２の所定の高温しきい値よりも高いことがある。
【００１４】
さらに別の実施形態では、第１の硬強磁性層と第２の硬強磁性層が異なる磁気モーメントを有することができる。
【００１５】
さらに別の実施形態では、前記軟強磁性層は、１ｎｍ〜１０ｎｍの範囲内の厚さを有することができる。
【００１６】
また、本発明は、磁気素子への書き込みを行うための方法であって、
第１の記憶層の磁化を自由にするために、前記磁気素子を第１の所定の高温しきい値に加熱するステップと、
第１の書き込み磁場に従って第１の記憶層の磁化を整列させるために、第１の書き込み磁場を印加するステップと、
記憶層の磁化をその整列状態で凍結し、第２の記憶層の磁化を自由にするために、第１の磁場を維持しながら前記磁気素子を第２の所定の高温しきい値に冷却するステップと、  第２の書き込み磁場に従って第２の記憶層の磁化を整列させるために、第２の書き込み磁場を印加するステップと、
第２の記憶層の磁化をその整列状態で凍結するために、第２の磁場を維持しながら前記磁気素子を低い所定の高温しきい値に冷却するステップと
を含む方法に関する。
【００１７】
一実施形態では、第１の書き込み磁場は、第２の書き込み磁場の方向と逆方向に向けることができ、それにより第１の記憶層の磁化は、第２の記憶層の磁化と逆方向に整列される。
【００１８】
別の実施形態では、第１の書き込み磁場が、第２の書き込み磁場の方向と同方向に向けられ、それにより第１の記憶層の磁化は、第２の記憶層の磁化の方向と同方向に整列される。
【００１９】
さらに、本発明は、磁気素子からの読み出しを行うための方法であって、
第１の読み出し磁場に従ってセンス層の磁化を第１の整列方向に整列させるために、第１の読み出し磁場を印加するステップと、
磁気素子の第１の抵抗を測定するステップと、
第２の読み出し磁場に従ってセンス層の磁化を第２の整列方向に整列させるために、第２の読み出し磁場を印加するステップと、
磁気素子の第２の抵抗を測定するステップと
を含む方法に関する。
【００２０】
一実施形態では、第１の硬強磁性層と第２の硬強磁性層が異なる磁気モーメントを有することができ、第１の読み出し磁場は磁場値ゼロで印加することができる。
【００２１】
本明細書で発明する磁気素子は、ただ１本の電流線のみを使用して４つの異なるレベルを書き込むことができるようにする。さらに、第１および第２のトンネル障壁層を備えるこの磁気素子は、磁気素子を加熱するのに必要とされる加熱電流を減少できるようにし、磁気素子の耐久性が高まる。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上記の課題（効果）は、請求項１に記載の：
自由に整列させることができる磁化を有する軟強磁性層としてのセンス層と、第１の低温しきい値では固定され、第１の高温しきい値では自由に整列可能な磁化を有する第１の硬強磁性層としての第１の記憶層との間に第１のトンネル障壁層を備えるマルチレベル磁気素子において、
第２のトンネル障壁層と、前記第１の低温しきい値では固定され、第２の高温しきい値では自由に整列可能な磁化を有する第２の硬強磁性層としての第２の記憶層とをさらに備え、前記センス層が前記第１のトンネル障壁層と前記第２のトンネル障壁層の間に備えられること、及び
前記第１の記憶層の第１の所定の高温しきい値が、前記第２の記憶層の第２の所定の高温しきい値よりも高い当該マルチレベル磁気素子によって解決される。
【００２３】
さらに、上記の課題（効果）は、請求項４に記載の：
磁気素子への書き込みを行うための方法において、
前記磁気素子が、自由に整列させることができる磁化を有する軟強磁性層としてのセンス層と、第１の低温しきい値では固定され、第１の高温しきい値では自由に整列可能な磁化を有する第１の硬強磁性層としての第１の記憶層と、前記センス層と前記第１の記憶層の間にある第１のトンネル障壁層と、前記第１の低温しきい値では固定され、第２の高温しきい値では自由に整列可能な磁化を有する第２の硬強磁性層としての第２の記憶層と、第２のトンネル障壁層とを備え、前記センス層が前記第１のトンネル障壁層と前記第２のトンネル障壁層の間に備えられ、
前記方法が、前記磁気素子を前記第１の高温しきい値に加熱するステップと、第１の書き込み磁場に従って前記第１の記憶層の磁化および前記第２の記憶層の磁化を整列させるために、第１の書き込み磁場を印加するステップと、前記第１および第２の記憶層の磁化をそれらの整列状態で凍結するために、前記磁気素子を第１の低温しきい値に冷却するステップとを有すること、及び
前記第１の所定の高温しきい値が前記第２の所定の高温しきい値よりも高く、前記方法が、前記磁気素子を前記第２の高温しきい値に冷却するステップと、第２の書き込み磁場に従って前記第２の記憶層の磁化を整列させるために、第２の書き込み磁場を印加するステップとをさらに有する結果、４つまでの異なる状態レベルを前記磁気素子に書き込むことができる当該方法によって解決される。
【００２４】
さらに、上記の課題（効果）は、請求項７に記載の：
請求項４〜６のいずれか１項に記載の方法によって書き込まれた磁気素子からの読み出しを行うための方法において、
前記磁気素子が、自由に整列させることができる磁化を有する軟強磁性層としての前記センス層と、第１の低温しきい値では固定され、第１の高温しきい値では自由に整列可能な磁化を有する第１の硬強磁性層としての第１の記憶層と、前記センス層と前記第１の記憶層の間にある第１のトンネル障壁層と、前記第１の低温しきい値では固定され、第２の高温しきい値では自由に整列可能な磁化を有する第２の硬強磁性層としての第２の記憶層と、第２のトンネル障壁層とを備え、前記センス層が前記第１のトンネル障壁層と前記第２のトンネル障壁層の間に備えられ、
前記方法が、第１の読み出し磁場に従って前記センス層の磁化を第１の整列方向に整列させるために、第１の読み出し磁場を印加するステップと、前記磁気素子の第１の抵抗を測定するステップと、第２の読み出し磁場に従って前記センス層の磁化を第２の整列方向に整列させるために、第２の読み出し磁場を印加するステップと、前記磁気素子の第２の抵抗を測定するステップとを有する当該方法によって解決される。
【００２５】
本発明は、例として提示され図面に図示される一実施形態の説明からより良く理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】一実施形態による磁気素子を示す図である。
【図２】一実施形態による磁化の整列を示す図１の磁気素子の部分図である。
【図３】一実施形態による磁気素子と第１の電流線を備える構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図１に、積層または磁気素子２が一実施形態に従って概略的に示されている。磁気素子２は、第１の接合抵抗面積積ＲＡ１を有する第１のトンネル障壁層２２と、第１の硬強磁性層または第１の記憶層２１と、第１の反強磁性層２０とを備える第１の磁気トンネル接合部分を含む。さらに、磁気素子２は、第２の接合抵抗面積積ＲＡ２を有する第２のトンネル障壁層２４と、第２の硬強磁性層または第２の記憶層２５と、第２の反強磁性層２６とを備える第２の磁気トンネル接合部分を含む。
【００２８】
第１および第２の記憶層２１、２５は、典型的には、交換異方性を提供するようにそれぞれ第１および第２の反強磁性層２０、２６に交換結合された強磁性層であり、この交換異方性は、反強磁性層２０、２６または磁気素子２が第１の所定の低温しきい値Ｔｗ３にあるときには、記憶層２１、２５がそれらの磁化を維持できるようにし、反強磁性層２０、２６または磁気素子２が第１の所定の高温しきい値Ｔｗ１にあるときには、記憶層２１、２５がそれらの磁化を自由にできるようにする。磁気素子２は、軟強磁性層またはセンス層２３をさらに備え、この層２３は、自由に整列させることができる磁化を有し、第１および第２のトンネル障壁層２２、２４の間に配設される。２つの磁気トンネル接合を備える磁気素子２の構成は、二重磁気トンネル接合とも呼ばれる。
【００２９】
第１の実施形態では、第１のトンネル障壁層２２の第１の接合抵抗面積積ＲＡ１の値が、第２のトンネル障壁層２４の第２の接合抵抗面積積ＲＡ２の値と実質的に同じである。さらに、２つの磁気トンネル接合部分が同じトンネル磁気抵抗ＴＭＲを有し、第１の反強磁性層２０と第２の反強磁性層２６が同じ第１の所定の高温しきい値Ｔｗ１を有する。この実施形態では、第１の記憶層２１の磁化は、第１の低温しきい値Ｔｗ３で第１の反強磁性層２０によってピン止め（または固定）され、第１の高温しきい値Ｔｗ１で自由に整列可能である。第２の記憶層２５の磁化は、第１の低温しきい値Ｔｗ３で第２の反強磁性層２６によってピン止め（または固定）され、第２の高温しきい値Ｔｗ２で自由に整列可能にすることができ、ここで、第２の高温しきい値Ｔｗ２は、第１の高温しきい値Ｔｗ１と実質的に同じである。
【００３０】
ここで、熱アシスト（ＴＡ）書き込み操作は、
記憶層２１、２５の磁化を自由にするために、磁気素子２を第１の所定の高温しきい値Ｔｗ１に加熱するステップと、
第１の書き込み磁場４２に従って第１および第２の記憶層２１、２５の磁化を整列させるために、第１の書き込み磁場４２を印加するステップと、
記憶層２１、２５の磁化をその整列状態で凍結させるために、磁気素子２が所定の低温しきい値Ｔｗ３に達するまで、第１の書き込み磁場４２を維持しながら磁気素子２を冷却するステップと
を含むことができる（図３参照）。
【００３１】
磁気素子２を加熱するステップは、典型的には、磁気素子２と電気的に連絡した第１の電流線４で、場合によっては前記スイッチングトランジスタ（図示せず）を介して磁気素子２に加熱電流３１を印加することによって行われる。第１の書き込み磁場４２を印加するステップは、図３に示される第１の電流線４に第１の磁場電流４１を流すことによって行うことができる。図３は、磁気素子２と第１の電流線４とを備える例示的構成を示し、第１の電流線４は、加熱電流３１を通し、かつ第１の書き込み磁場４２を発生する第１の書き込み電流４１を通す。他の構成も可能である。例えば、第１の書き込み電流４１を第２の電流線（図示せず）に流すことができる。
【００３２】
読み出し操作は、
第１の読み出し磁場５３に従ってセンス層２３の磁化を第１の整列方向に整列させるために、第１の読み出し磁場５３を印加するステップと、
磁気素子２の第１の抵抗Ｒ１を測定するステップと、
第２の読み出し磁場５４に従ってセンス層２３の磁化を第２の整列方向に整列させるために、第２の読み出し磁場５４を印加するステップと、
磁気素子２の第２の抵抗Ｒ２を測定するステップと、
第１の抵抗値Ｒ１と第２の抵抗値Ｒ２の差ΔＲを求めるステップと
を含むことができる。
【００３３】
第１および第２の読み出し磁場５３、５４を印加するステップは、第１の電流線４にそれぞれ第１および第２の読み出し磁場電流５１、５２を流すことによって行うことができる（図３参照）。あるいは、第１および第２の読み出し磁場５３、５４は、第２の電流線にそれぞれ第１および第２の読み出し磁場電流５１、５２を流すことによって印加することができる。第１および第２の抵抗Ｒ１、Ｒ２を測定するステップは、第１の電流線４で磁気素子２に向けてセンス電流３２を流すことによって行うことができる。本明細書で発明する自己参照型の読み出し操作は、まだ公開されていない特許文献３に開示されている。
【００３４】
この実施形態による磁気素子２の１つの利点は、２つのトンネル障壁層２２、２４が、２つの反強磁性層２０、２６を第１の所定の高温しきい値Ｔｗ１に加熱するのに必要な電力を共有することである。これにより、磁気素子２または反強磁性層２０、２６を第１の所定の高温しきい値Ｔｗ１に加熱するのに必要な加熱電流を減少させることができ、あるいは、磁気トンネル接合を１つだけ備える従来の積層に比べて、第１および第２のトンネル障壁層２２、２４それぞれにかかる対応する所要の電圧を、同じ電力に関して実質的に√２分の１に減少させることができる。さらに、追加の（非磁性）加熱素子を有する従来の１つの磁気トンネル接合積層に比べて、読み出しマージンの損失がない。第１のトンネル障壁層２２の近傍（非常に近く）に第２のトンネル障壁層２４を配置することで、第２のトンネル障壁層２４の表面品質が第１のトンネル障壁層２２の表面品質に非常に近いことが保証され、それにより磁気素子２の全体の品質が高まる。
【００３５】
第２の実施形態では、第１のトンネル障壁層２２と第２のトンネル障壁層２４が、異なる値の第１の接合抵抗面積積ＲＡ１と第２の接合抵抗面積積ＲＡ２を有し、２つの磁気トンネル接合は、場合により異なるトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）値を有する。ここで、第１の反強磁性層２０は第１の所定の高温しきい値Ｔｗ１を有し、第２の反強磁性層２６は第２の所定の高温しきい値Ｔｗ２を有する。
【００３６】
この構成では、表１に概説するように、４つの異なるレベルを磁気素子２に書き込むことができ、上述した読み出し操作を使用して検知することができる。第１の反強磁性層２０の第１の所定の高温しきい値Ｔｗ１が第２の反強磁性層２４の第２の所定の高温しきい値Ｔｗ２よりも高いと仮定すると、Ｔｗ２で、第１の記憶層２１の磁化は凍結されて、第２の記憶層２５の磁化は自由に整列させることができる。このとき、書き込み操作は、
第１の記憶層２１の磁化を自由にするために、第１の反強磁性層２０を第１の所定の高温しきい値Ｔｗ１に加熱するステップと、
第１の書き込み磁場４２に従って第１の記憶層２１の磁化を整列させるために、第１の書き込み磁場４２を印加するステップと、
記憶層２１の磁化をその整列状態で凍結し、第２の記憶層２５の磁化を自由にするために、層２０が第２の所定の高温しきい値Ｔｗ２に達するまで、第１の磁場４２を維持しながら第１の反強磁性層２０を冷却するステップと、
第２の書き込み磁場４４に従って第２の記憶層２５の磁化を整列させるために、第２の書き込み磁場４４を印加するステップと、
第２の記憶層２５の磁化をその整列状態で凍結するために、層２６が低い所定の高温しきい値Ｔｗ２に達するまで、第２の磁場を維持しながら第２の反強磁性層２６を冷却するステップと
を含むことができる。
【００３７】
第１の書き込み磁場４２は、第２の書き込み磁場４４の方向と逆方向に向けることができ、それにより第１の記憶層２１の磁化は、第２の記憶層２５の磁化と逆方向に整列される。この場合、上述した書き込み操作を使用して、磁気素子２に４つの異なる状態レベルを書き込むことができる。第２の書き込み磁場４４を印加するステップは、第１の電流線４（図３）または第２の電流線に第２の磁場電流４３を流すことによって行うことができる。
【００３８】
【表１】
0005798002.tif 000002
【００３９】
表１は、磁気素子２において４つの異なる状態レベルが可能である実施形態による書き込み操作を概説する。図２において、記憶層２１、２５とセンス層２３の磁化の対応する整列が矢印によって表されている。図２は、図１の磁気素子の部分図であり、２つの記憶層２１、２５と、２つのトンネル障壁層２２、２４と、センス層２３とを示す。
【００４０】
より詳細には、状態レベル「状態１」（図２（ａ））で、第１の書き込み磁場と第２の書き込み磁場の向きは同じであり、第１の記憶層２１の整列された磁化方向は、第２の記憶層２５の整列された磁化方向と同じである。読み出し操作中、第１および第２の記憶層２１、２５の整列された磁化方向と同方向に向けられた第１の読み出し磁場が、大きな第１および第２の測定抵抗値（Ｒｍａｘ１＋Ｒｍａｘ２）を生み出す。第２の読み出し磁場は、小さな第１および第２の測定抵抗値（Ｒｍｉｎ１＋Ｒｍｉｎ２）を生み出す。
【００４１】
状態レベル「状態２」および「状態３」（図２（ｂ）および（ｃ））では、第１の書き込み磁場の向きは第２の書き込み磁場の向きと逆である。表１および図２の例では、状態レベル「状態２」に関する第１および第２の測定抵抗値（Ｒｍａｘ１＋Ｒｍｉｎ２）および（Ｒｍｉｎ１＋Ｒｍａｘ２）が、状態レベル「状態３」に関する第１および第２の測定抵抗値（Ｒｍａｘ１＋Ｒｍｉｎ２）および（Ｒｍｉｎ１＋Ｒｍａｘ２）とは異なるように、第１および第２の記憶層２１、２５の磁化が整列される。
【００４２】
状態レベル「状態４」（図２（ｄ））では、第１の書き込み磁場の向きは、状態レベル「状態１」で使用されるものと同じであるが逆であり、第１の読み出し磁場を印加するときの第１および第２の測定抵抗値（Ｒｍｉｎ１＋Ｒｍｉｎ２）は小さくなり、第２の読み出し磁場を印加するときの第１および第２の測定抵抗値（Ｒｍａｘ１＋Ｒｍａｘ２）は大きくなるように、第１および第２の記憶層２１、２５の磁化が整列される。
【００４３】
これら４つの状態レベルは、ただ１本の電流線の使用によって、１つのセルにつき（または１つの磁気素子２につき）２ビットの符号化を可能にする。さらに、磁気素子２は、上述した二重磁気トンネル接合構成により、耐久性が高い。
【００４４】
一実施形態では、第１の反強磁性層２０は、ＩｒＭｎから形成することができ、第１の記憶層２１は、ＮｉＦｅ２／ＣｏＦｅＢ２から形成することができ、第１のトンネル障壁層２２は、約２０の第１の接合抵抗面積積（ＲＡ１）を有するＭｇＯから形成することができ、センス層２３は、ＣｏＦｅＢ２から形成することができる。センス層２３は、１ｎｍ〜１０ｎｍの範囲内の厚さを有することができる。第２のトンネル障壁層２４は、約４０の第１の接合抵抗面積積（ＲＡ２）を有するＭｇＯから形成することができ、第２の記憶層２５は、ＮｉＦｅ２／ＣｏＦｅＢ２から形成することができ、第２の反強磁性層２６は、ＦｅＭｎから形成することができる。ＭｇＯを含むトンネル障壁層２２、２４を形成するためのＭｇＯの使用は、非常に平坦なトンネル障壁層２２、２４を形成するのに有利である。これは、ＴＡＳ−ＭＲＡＭ用途で使用される高性能の磁気トンネル接合にとって望ましい品質である。
【００４５】
表２は、約０．１５μｍの直径を有し、上述した組成物を含む層２０、２１、２２、２３、２４、２５、２６を備える磁気素子２の場合に求められる抵抗レベル値を示す。
【００４６】
【表２】
0005798002.tif 000003
【００４７】
部分補償ＳＡＦ基準／センス層（２つのトンネル障壁２２、２４の間の層）の使用を含めた多くの代替実施形態が可能である。
【００４８】
別の実施形態では、２つの強磁性記憶層２１、２５は、異なる磁気モーメントを有する。これにより、書き込み磁場４２、４４がないときに、センス層２３に関するよく定義された向きが得られる。
【００４９】
ここで、読み出し操作は、第１の読み出し磁場５３を印加せずに（または磁場値ゼロで第１の読み出し磁場５３を印加して）磁気素子２の第１の抵抗Ｒ１を測定するステップと、それに続いて、単一の磁場方向を有する第２の読み出し磁場５４を印加するときに磁気素子２の第２の抵抗Ｒ２を測定するステップとを含むことができる。
【００５０】
４つの状態レベルは、表３に示されるように、初期抵抗値および抵抗の変化を測定することによって決定することができる。これにより、読み出し操作を行うための読み出し操作時間および電力消費を減少させることができるようになる。表３は、この実施形態による読み出しおよび書き込みシーケンスを説明する。
【００５１】
【表３】
0005798002.tif 000004
【００５２】
表４は、約０．１５μｍの直径を有する積層、および上述した組成物を含む様々な層に関する抵抗レベル値を示す。
【００５３】
別の実施形態では、読み出し操作は、単一の磁場方向を有する読み出し磁場を印加するときに磁気素子２の抵抗を測定するステップと、それに続いて、読み出し磁場を印加せずに磁気素子２の抵抗を測定するステップとを含むことができる。
【００５４】
【表４】
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【００５５】
いくつかの実施形態による磁気素子２の構成は、従来のＴＡＳ  ＭＲＡＭ積層に比べて有利である。実際、薄い強磁性センス層２３によって離隔された２つのトンネル障壁層２２、２４を備える本明細書で説明した二重磁気トンネル接合は、２つのトンネル障壁層２２、２４を高品質で形成できるようにする。
【００５６】
二重磁気トンネル接合を備える磁気素子２は、書き込み操作中に、各トンネル障壁層２２、２４での電圧降下を減少させる（総電圧が２つのトンネル障壁層２２、２４の間で共有される）。それぞれ異なる所定の高温しきい値Ｔｗ１、Ｔｗ２を有し、かつそれぞれ第１および第２の記憶層２１、２５に結合された２つの異なる反強磁性層２０、２６の使用により、１つのセルにつき（または１つの磁気素子２につき）４つまでの異なる抵抗状態レベルを有することができるようになり、したがって記憶容量を１ビット／セルから２ビット／セルに高める。本明細書で開示した磁気素子２は、非特許文献１に記載されているＴＡＳ−ＭＲＡＭに関する二重ＭＴＪとは異なることに留意されたい。
【符号の説明】
【００５７】
２  磁気素子、積層
４  第１の電流線
２０  第１の反強磁性層
２１  第１の記憶層
２２  第１のトンネル障壁層
２３  基準またはセンス層
２４  第２のトンネル障壁
２５  第２の記憶層
２６  第２の反強磁性層
３１  加熱電流
３２  センス電流
４１  第１の磁場電流
４２  第１の書き込み磁場
４３  第２の磁場電流
４４  第２の書き込み磁場
５１  第１の読み出し磁場電流
５２  第２の読み出し磁場電流
５３  第１の読み出し磁場
５４  第２の読み出し磁場
ＲＡ１  第１の接合抵抗面積積
ＲＡ２  第２の接合抵抗面積積
Ｒ１  第１の抵抗
Ｒ２  第２の抵抗
ΔＲ  第１の抵抗と第２の抵抗の差
ＴＭＲ  トンネル磁気抵抗
Ｔｗ１  第１の高温しきい値
Ｔｗ２  第２の高温しきい値
Ｔｗ３  第１の低温しきい値
【図１】
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【図２】
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【図３】
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