(57)【要約】【課題】低電力消費による熱支援ＭＴＪベースＭＲＡＭ構造を提供すること。【解決手段】この発明は、各メモリセル（１）が磁気トンネル接合（ＭＴＪ）から成り、各接合は、データが書き込まれる磁気記憶層（２１）と、基準層の磁化が任意の時間の処理でいつも実質的に同じ方向である基準層（２３）と、基準層（２３）と記憶層（２１）との間に挿入された絶縁層（２２）とから成る熱支援筆記手順を備えるＭＲＡＭタイプの磁気メモリにおいて、記憶層（２１）の頂部に加えられた筆記層（８）を備えることを特徴とする。筆記方法は接続電流ライン電流パルス（３１）を使用して接合（２）の加熱と筆記層（８）の正味磁化によって発生された静磁界との組合せによって実施されて、記憶層（２１）の磁化を逆転させる。
2011507243.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各メモリセルが磁気トンネル接合（ＭＴＪ）から成り、各接合は、ｉ）データが書き込まれる磁気記憶層（２１）と、ｉｉ）基準層の磁化が任意の時間の処理でいつも実質的に同じ方向である基準層（２３）と、ｉｉｉ）基準層（２３）と記憶層（２１）との間に挿入された絶縁層（２２）とから成る熱支援筆記手順を備えるＭＲＡＭタイプの磁気メモリにおいて、ｉｖ）第二鉄磁気３ｄ−４ｆ非結晶合金から形成され、記憶層（２１）の付近に挿入され、３ｄ遷移金属原子のサブ格子から生じる第一磁化貢献と４ｆ希土類原子のサブ格子から生じる第二磁化貢献から成る筆記層（８）から成ることを特徴とする磁気メモリ。
【請求項２】
筆記層（８）が記憶層（２１）の頂部に配置されてい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】
筆記層（８）の磁化は補償温度ＴＣＯＭＰ以下の筆記層（８）の温度で４ｆ貢献によって支配され、補償温度ＴＣＯＭＰ以上の温度で３ｄ金属貢献によって支配されることを特徴とする請求項１或いは２に記載の磁気メモリ。
【請求項４】
筆記層（８）がＧｄ，Ｓｍ或いはＴｂを備えるＣｏ或いはＦｅを含有する合金から形成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の磁気メモリ。
【請求項５】
筆記層（８）がＧｄＣｏ，ＳｍＣｏ，或いはＴｂＦｅＣｏから構成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の磁気メモリ。
【請求項６】
筆記層（８）が１０乃至１００ｎｓの厚さを有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の磁気メモリ。
【請求項７】
非磁気スペース層（９）が筆記層（８）と記憶層（２１）の間に挿入されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の磁気メモリ。
【請求項８】
記憶層（２１）が強磁性記憶層（２１ａ）と反強磁性記憶層（２１ｂ）とから成ることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の磁気メモリ。
【請求項９】
強磁性記憶層（２１ａ）が永久合金（Ｎｉ８０Ｆｅ２０），Ｃｏ９０Ｆｅ１０，或いはＦｅ、Ｃｏ或いはＮｉを含有する他の合金から成るグループから選択された強磁性材料から形成されることを特徴とする請求項８に記載の磁気メモリ。
【請求項１０】
強磁性記憶層（２１ａ）が１乃至１０ｎｍの程度の厚さを有することを特徴とする請求項８或いは９に記載の磁気メモリ。
【請求項１１】
反強磁性記憶層（２１ｂ）がマンガンベース合金から形成されることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の磁気メモリ。
【請求項１２】
反強磁性記憶層（２１ｂ）がＩｒＭｎ或いはＦｅＭｎから形成されることを特徴とする請求項１１に記載の磁気メモリ。
【請求項１３】
反強磁性記憶層（２１ｂ）が１２０℃から２２０℃までの適度なブロック温度（ＴＢＳ）を有することを特徴とする請求項１１或いは１２に記載の磁気メモリ。
【請求項１４】
基準層（２３）が第一強磁性基準層（２３ａ）と第二強磁性基準層（２３ｃ）とから成り、それら第一と第二強磁性基準層の間に非強磁性基準層（２３ｂ）を挿入することにより反強磁性的に連結されていることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の磁気メモリ。
【請求項１５】
強磁性基準層（２３ａ、２３ｃ）がＦｅ，Ｃｏ，或いはＮｉベース合金から形成されることを特徴とする請求項１４に記載の磁気メモリ。
【請求項１６】
強磁性基準層（２３ａ）或いは（２３ｃ）の一方が反強磁性基準層（２４）によって留められることを特徴とする請求項１４或いは１５に記載の磁気メモリ。
【請求項１７】
反強磁性基準層（２４）がマンガンベース合金から形成されることを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか一項に記載の磁気メモリ。
【請求項１８】
反強磁性基準層（２４）がＰｔＭｎ或いはＮｉＭｎから形成されることを特徴とする請求項１７に記載の磁気メモリ。
【請求項１９】
反強磁性基準層（２４）が反強磁性記憶層のブロック温度ＴＢＳより高いブロック温度ＴＢＲを有することを特徴とする請求項１７或いは１８に記載の磁気メモリ。
【請求項２０】
筆記層（８）の補償温度ＴＣＯＭＰが反強磁性記憶層（２１ｂ）のブロック温度ＴＢＳより高く且つ基準層（２３）のブロック温度ＴＢＲより低いことを特徴とする請求項１乃至１９のいずれか一項に記載の磁気メモリ。
【請求項２１】
絶縁層（２２）がＡｌ２Ｏ３とＭｇＯから成るグループから選択された材料から形成されることを特徴とする請求項１乃至２０のいずれか一項に記載の磁気メモリ。
【請求項２２】
熱障壁層が接合（２）の頂部と底部に加えられることを特徴とする請求項１乃至２１のいずれか一項に記載の磁気メモリ。
【請求項２３】
熱障壁がＢｉＴｅ或いはＧｅＳｂＴｅから形成されることを特徴とする請求項２２に記載の磁気メモリ。
【請求項２４】
熱支援磁気メモリの筆記方法において、
ａ）筆記層（８）の正味磁化が二層間の静磁気相互作用による強磁性記憶層（２１ａ）の磁化に関して反平行に配向される初期工程と；
ｂ）筆記層（８）の３ｄ貢献の磁化が初期工程の配向と比較して１８０°だけ逆転される第二工程と；
ｃ）筆記層（８）の４ｆ貢献の磁化が初期工程の方向と比較して１８０°だけ逆転される第三工程と；
ｄ）強磁性記憶層（２１ａ）が強磁性記憶層（２１ａ）と筆記層（８）の間の静磁気相互作用による初期工程の方向と比較して１８０°だけ逆転される第四工程と；
ｅ）強磁性記憶層（２１ａ）の磁化と筆記層（８）の正味磁化が初期工程のそれぞれの配向に関して１８０°だけ逆転される最終工程とから成ることを特徴とする筆記方法。
【請求項２５】
初期工程内で、接合（２）が準備温度Ｔ１であることを特徴とする請求項２４に記載の筆記方法。
【請求項２６】
第二工程内で、接合（２）が反強磁性記憶層（２１ｂ）のブロック温度ＴＢＳと筆記層（８）の補償温度ＴＣＯＭＰ以上であるが、しかし二つのそれぞれの層のキュリー温度以下の温度Ｔ２に加熱されることを特徴とする請求項２４或いは２５に記載の筆記方法。
【請求項２７】
第三工程内で、接合温度が筆記層（８）の補償温度ＴＣＯＭＰより低いが、しかしブロック温度ＴＢＳより高い温度Ｔ３に下降されることを特徴とする請求項２４乃至２６のいずれか一項に記載の筆記方法。
【請求項２８】
第四工程内で、接合温度がブロック温度ＴＢＳ以上僅かの温度Ｔ４に下降されて、筆記層（８）の磁化貢献が静磁気相互作用を誘導するために十分に大きくなり、強磁性記憶層（２１ａ）の磁化を逆転できることを特徴とする請求項２４乃至２７のいずれか一項に記載の筆記方法。
【請求項２９】
最終工程内で、接合温度がブロック温度ＴＢＳ以下の温度ＴＳに下降され、強磁性記憶層（２１ａ）の磁化が凍結されることを特徴とする請求項２４乃至２８のいずれか一項に記載の筆記方法。
【請求項３０】
接合（２）が接合電流パルス（３１）を接合（２）に通過させることによって加熱されることを特徴とする請求項２４乃至２９のいずれか一項に記載の筆記方法。
【請求項３１】
請求項１乃至２３のいずれか一項に定義された複数のメモリセル（１）から成るマトリックスから成ることを特徴とする磁気メモリ。
【請求項３２】
各メモリセル（１）の各接合（２）が筆記層（８）の側で接続電流ライン（７）に接続され、反対側で接続電流ライン（７）と垂直に置かれた制御電流ライン（６）と接続されていることを特徴とする請求項３１に記載の磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電子システムでデータを記憶読取るように使用された磁気メモリ、特に非揮発性ランダムアクセス磁気メモリの分野に関する。さらに、特に、この発明は磁気トンネル接合に基づいたＭＲＡＭとして参照された磁気ランダムアクセスメモリと熱支援筆記構成を使用するトンネル接合ベースＭＲＡＭに使用された接合筆記処理の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気メモリＭＲＡＭは周辺温度で強い磁石抵抗を有する磁気トンネル接合（ＭＴＪ）の発見による新たな関心の目的であった。これら磁気ランダムアクセスメモリが速度（筆記と読取りの数ナノセカンドの期間）、非揮発性、イオン化放射に対する無感性のような多くの利点を表す。結局、それらは充填状態の蓄電器（ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ、ＦＬＡＳＨ）に基づいたさらに従来技術を使用するメモリを益々と取り替える。
【０００３】
従来のＭＴＪベースＭＲＡＭでは、磁気セルは幾つかの交互に磁気と非磁気金属層のスタックから成る接合を有する要素から成る。従来のＭＴＪベースＭＲＡＭ装置の例は、米国特許第５６４０３４３号明細書（特許文献１）に記載されている。その最も簡単な形態では、ＭＴＪベースＭＲＡＭの接合は、第一層、即ち基準層が一定磁化により特徴付けられ、第二層、即ち記憶層が方向を変化させ得る磁化により特徴付けられる絶縁薄層により分離された異なった強制の二つの磁気層から形成される。基準層と記憶層のそれぞれの磁化が反平行であるならば、接合の抵抗が高い。言い換えると、それぞれの磁化が平行であるならば、抵抗が低くなる。
【０００４】
選択的に、基準層と記憶層が鉄、コバルト或いはニッケル或いはそれら合金のような３ｄ金属から形成されている。偶発的に、硼素が非結晶形態学と平らなインターフェイスを得るために層組成物に加えられる。典型的には、絶縁層がアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）或いは酸化マグネシウム（ＭｇＯ）から成る。選択的に、基準層がそれ自体に例えば米国特許第５５８３７２５号明細書（特許文献２）に記載される如く幾つかの層から成り、合成非強磁性層を形成する。「磁力と磁気材料のジャーナル」（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ  ａｎｄ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌ）第２２３巻（２００１年）、第２９３頁（非特許文献１）に斉藤他により報告書に記載された二重トンネル接合が使用され得る。この場合には、記憶層が二つの薄絶縁層間にサンドイッチになっていて、二つの基準層が薄絶縁層の各対向側面に位置されている。
【０００５】
図１は記憶層２１、絶縁層２２と基準層２３から成る接合２が選択ＣＭＯＳトランジスタ３とワード電流ライン４の間に配置されている従来のＭＴＪベースＭＲＡＭのメモリセル１を示す。ビット電流ライン５はワード電流ライン４と垂直に置かれている。電流がワードライン４とビット電流ライン５に流れるならば、ワードとビット磁界４１と５１がそれぞれに発生される。電流は１０ｍＡの程度の大きさを有する２から５までのナノセカンドの典型的に短い電流パルスである。追加制御電流ライン６がトランジスタ３の開放或いは閉鎖を制御するように意図されて各メモリセルに個々にアドレスする。
【０００６】
筆記処理中にトランジスタ３がブロックモード（オフ）であり、電流が接合２を通過しない。電流パルスの強度とその同期は、二つの電流ラインの交点に位置された記憶層２１の磁化のみがワード磁界４１とビット磁界５１の組合せ効果の下で切り換えできる。
【０００７】
読取り処理中にトランジスタ３が飽和モード（オン）であり、接合電流が接合２を通って流れてメモリセル１の接合抵抗の測定を可能とする。メモリセル１の状態は基準メモリセル１の抵抗と測定された抵抗とを比較することにより決定される。例えば、記憶層２１の磁化が「０」の値に一致する基準層２３の磁化と平行であるときに、低接合抵抗が測定される。逆に、基準層２３の磁化と反平行である記憶層２１の磁化が「１」の値に一致する高接合抵抗を生じる。
【０００８】
このタイプの従来のＭＴＪベースＭＲＡＭの基礎構造は米国特許第４９４９０３９号明細書（特許文献３）と米国特許第５１５９５１３号明細書（特許文献４）に詳細に記載されている一方、米国特許第５３４３４２２号明細書（特許文献５）はＭＴＪベースＭＲＡＭ構造に基づいたランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）の手段に関する。
【０００９】
上記筆記機構のタイプは幾つかの不利益を有する。特に記憶層２１の磁化の逆転が外界の効果の下で発生されるから、そして逆転界が静止的に分布されるから、上或いは下ワード或いはビット電流ライン４、５に沿って発生された磁界の効果により簡単にある近傍接合を偶発的に逆転することができる。サブミクロン寸法を有するメモリセルを備える高密度メモリのために、アドレスミスの数が多い。メモリセル大きさの減少は個々の逆転界の値の増加を導き、メモリセルを筆記するより高い電流を必要とし、回路消費を増加させる。結局、二つの電流ラインを使用する筆記モードが集積密度を制限する。
【００１０】
上記ＭＴＪベースＭＲＡＭ構造に関する改良は、米国特許出願公開第２００５００２２２８号明細書（特許文献６）に記載され且つ図２に表現された熱支援筆記処理である。そのような熱支援ＭＲＡＭの接合２の特性は、基準層２３と記憶層２１の両方が交換されることである。さらに、正確に基準層２３と記憶層２１が隣接反強磁性基準層２４と反強磁性記憶層２１ｂとの相互作用により留められ、反強磁性記憶層２１ｂのブロック温度ＴＢＳが反強磁性基準層２４のブロック温度ＴＢＲより小さい。
【００１１】
熱支援筆記処理中に、１０５Ａ／ｃｍ２と１０７Ａ／ｃｍ２の間に成形された大きさを有し且つ幾つかのナノセカンドを持続する接合電流パルス３１が接続電流ライン７と接合２（トランジスタＯＮを備える）を通して送られ、接合の温度を約１２０−２００℃に上昇させ、ＴＢＳとＴＢＲの間に横たわり、強磁性記憶層２１と反強磁性記憶層２１ｂの間の磁気連結が消える。接合２が冷却される一方、適度なワード磁界４１がワード電流ライン４に電流を流すことによって印加されて、記憶層２１の磁化の逆転を許す。
【００１２】
読取り処理が接合（トランジスタＯＮを備える）を通過する測定電流を形成することにより実施されて、接合抵抗を測定し、前記抵抗値から記憶層の磁化の配向を推論する。測定電流が接合の僅かな加熱を生じる筆記処理中に使用された電流より低い。
【００１３】
従来のＭＴＪベースＭＲＡＭと対照して、上記熱支援ＭＴＪベースＭＲＡＭ構造は反強磁性記憶層２１ｂの留めによる記憶層２１の著しく改良された熱安定性によって特徴付けられる。改良された筆記選択性は、周辺温度に残留する近傍メモリセルと比較して、筆記されるメモリセルの選択的加熱により実施される。熱支援ＭＴＪベースＭＲＡＭ構造は、メモリセル１を加熱するのに必要とされた電力が従来のＭＴＪベースＭＲＡＭ構造に磁化を発生させるように必要とされた電力以下であるので、周辺温度で高磁気異方性；安定性限度を影響させることなしにより高い集積密度と；筆記処理中の減少電力消費を備える材料を使用することにより零磁界（保持）により良い安定性を可能とする。
【００１４】
しかしながら、上記熱支援ＭＴＪベースＭＲＡＭにより、記憶層磁化を切り換えるために適切である磁界を発生させるために、即ち３０−５０Ｏｅのために供給される電流がｍＡ範囲にある。この電流は低電力消費利用にはあまりに大過ぎであり、セル寸法が減少されるときに、連続的に増加する。
【００１５】
記憶層の磁化の切り換え用のスピン極性化電流を使用することにより電流ワードとビットラインの使用を回避する選択的熱支援ＭＴＪベースＭＲＡＭ構造は、米国特許出願公開第２００５０１０４１０１号明細書（特許文献７）、米国特許第６６０３６７７号明細書（特許文献８）と米国特許第６５３２１６４号明細書（特許文献９）に提案されていた。しかしながら、提案された解決手段は、低電力利用のために適していなく、メモリセルの合理的低観点比を保持しながら、長時間に情報の安定性を保証できない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【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５５８３７２５号明細書
【特許文献３】米国特許第４９４９０３９号明細書
【特許文献４】米国特許第５１５９５１３号明細書
【特許文献５】米国特許第５３４３４２２号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２００５００２２２８号明細書
【特許文献７】米国特許出願公開第２００５０１０４１０１号明細書
【特許文献８】米国特許第６６０３６７７号明細書
【特許文献９】米国特許第６５３２１６４号明細書
【特許文献１０】米国特許第６３８５０８２号明細書
【特許文献１１】米国特許出願公開第２００５０４０４３３号明細書
【特許文献１２】米国特許第７１２９５５５号明細書
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】「磁力と磁気材料のジャーナル」（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ  ａｎｄ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌ）第２２３巻（２００１年）、第２９３頁。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
この発明の目的は、低電力消費による熱支援ＭＴＪベースＭＲＡＭ構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
この発明によると、この目的は、独立請求項１によって、独立請求項２４の方法によって且つ独立請求項３１の磁気メモリ装置によって達成される。
【００２０】
この目的は、記憶層の付近に置かれた筆記層から成る接合によって達成される。さらに特に、この発明の接合は、ｉ）筆記層と、ｉｉ）低ブロック温度反強磁性層により連結された記憶層交換と、ｉｉｉ）高ブロック温度反強磁性層により連結された基準層交換とから成り、筆記層が第二鉄磁気３ｄ−４ｆ非結晶合金、好ましくは例えばＧｄＣｏ，ＳｍＣｏ，或いはＴｂＦｅＣｏのようなＧｄ，Ｓｍ或いはＴｂを備えるＣｏ或いはＦｅを含有する合金から形成されている。
【００２１】
この発明の好ましい実施例では、記憶層は低ブロック温度により特徴付けられた反強磁性層により交換連結された強磁性記憶層から成る。基準層は、第一と第二強磁性基準層間に挿入された非強磁性基準層と、高ブロック温度により特徴付けられた留め反強磁性層とから成る。
【００２２】
この発明によると、筆記処理は、接合電流パルスを使用する接合の加熱と筆記層の正味磁化により発生された静磁界とを組合せにより実施されて、記憶層の磁化を回転させる。ここでは、接合を加熱することは強磁性記憶層の逆転界の減少を可能とする。
【００２３】
この発明の熱支援ＭＴＪベースＭＲＡＭはワードとビット電流ラインの使用を回避し、その結果、十分に低い電力消費を有し、先行技術の従来の熱支援ＭＴＪベースＭＲＡＭと比較して容易に一定の割合で減少され得る。さらに、ワードとビット電流ラインが使用されるときの場合には、提案された筆記処理がスイッチング分野範囲から独立であるから、アドレスミスが減少されて、さらに確実なデータ筆記が得られる。
【００２４】
熱支援ＭＴＪベースＭＲＡＭにスピン極性化電流を使用する筆記処理と対照して、この発明の筆記処理に筆記層の磁化により発生された静磁界の使用は、低電流密度によるより良い電力消費性能と、反強磁性記憶層と記憶層との交換連結による接合のより良い熱安定性を生じる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
この発明は、例として与えられ且つ図により例示された実施例の記載によってより良く理解される。
【図１】先行技術による磁気トンネル接合メモリセルの概略図を示す。
【図２】先行技術による熱支援ＭＲＡＭのメモリセルと対応接合を表す。
【図３】この発明によるメモリセルを概略的に例示する。
【図４】この発明による接合を概略的に例示する。
【図５】この発明による第二鉄磁気筆記層用の飽和磁化と強制界ＨＷの熱依存性を示す。
【図６】交換連結された強磁性記憶層用の飽和磁化Ｍｓと逆転界ＨＲの熱依存性を示す。
【図７】この発明の熱支援ＭＴＪベースＭＲＡＭの完全筆記手順周期を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
この発明のメモリセル１は図３に表現されて、トランジスタ３がオンであるときに、接合２が選択ＣＭＯＳトランジスタ３と接合２を通過する接合電流パルス３１を通す接続電流ライン７の間に置かれている。制御電流ライン６はトランジスタ３の開放と閉鎖を制御するように使用されて各メモリセルに個々にアドレスする。
【００２７】
この発明の接合２の閉鎖図は、図４で与えられる。接合は好ましくは強磁性記憶層２１ａと反強磁性記憶層２１ｂとから成る記憶層２１を含有する。強磁性記憶層２１ａは１−１０ｎｍの程度の厚さを有し、典型的に永久合金（Ｎｉ８０Ｆｅ２０），Ｃｏ９０Ｆｅ１０，或いはＦｅ、Ｃｏ或いはＮｉを含有する他の合金であるグループから選択された平らな磁化を有する材料から形成される。強磁性記憶層２１ａは、例えばＩｒＭｎ或いはＦｅＭｎのマンガンベース合金から形成された反強磁性記憶層２１ｂにより交換連結される。反強磁性記憶層２１ｂは十分に高くブロック温度を有し、準備温度で、即ち加熱のない場合に、強磁性記憶層２１ａの磁化が十分に留められ数年間に渡って磁化を保持できるが、しかし、材料低下と高電力消費に生じた各筆記処理中に接合を過度に加熱するために必要とする高くない。ここで、例えば１２０−２２０℃の範囲のＴＢＳは適している。
【００２８】
接合２は、好ましくは第一強磁性基準層２３ａと第二強磁性基準層２３ｃとから成り、両方がＦｅ、Ｃｏ或いはＮｉベース合金から形成されている基準層２３を含有する。二つの強磁性基準層２３ａと２３ｃは、例えばルテニウムから形成された非強磁性基準層２３ｂをそれらの間に挿入することにより反強磁性的に連結される。好ましくはＰｔＭｎ或いはＮｉＭｎのようなＭｎベース合金から形成され且つＴＢＳより高いブロック温度ＴＢＲによって特徴付けられた反強磁性基準層２４は、第二強磁性基準層２３ｃ以下に備えている。反強磁性基準層２４が第一強磁性基準層２３ａの磁気モーメントを配向させ、留め分野が発生されて、第二強磁性基準層２３ｃの磁気モーメントを固定させる。上記基準層構造が合成反強磁性留め層の名の下で先行技術で周知である。
【００２９】
トンネル障壁の役割を演じて且つ好ましくはＡｌ２Ｏ３とＭｇＯから成るグループから選択された材料から形成された絶縁層２２は、記憶層２１と基準層２３の間に挿入されている。接合のトンネル抵抗が指数的に絶縁層厚さに依存して、接合の抵抗領域生産（ＲＡ）によって測定される。ＲＡは接合を通して電流を流すように、十分に小さくなければならなく、この接合は反強磁性記憶層２１ｂの温度をそのブロック温度ＴＢＳ以上に上昇させるために十分に高い。典型的に１００℃までの接合の温度を上昇させるために必要とされた１０５Ａ／ｃｍ２と１０７Ａ／ｃｍ２の範囲に電流密度を強制するために、ＲＡ値が１−５００Ωμｍ２の程度である。
【００３０】
この発明によると、筆記層８は記憶層２１の頂部にて接合２に挿入されて、非磁気スペース層２１によって記憶層から分離され得る。筆記層８は選択的に十分な要素と３ｄ遷移金属と４ｆ希土類材料の間の相対組成物とを選択することにより第二鉄磁気３ｄ−４ｆ非結晶合金から形成される。ＭＲＡＭ装置に使用されたそのような第二鉄磁気層は、この発明の装置の異なった目的のために米国特許第４２０４３９６号明細書（特許文献１０）、米国出願公開特許第２００５０４０４３３号明細書（特許文献１１）と米国特許第７１２９５５５号明細書（特許文献１２）の書類に記載されている。
【００３１】
筆記層８の正味磁化は３ｄ遷移金属原子のサブ格子から生じる第一貢献と４ｆ希土類原子のサブ格子から生じる第二貢献に分解され得る。正味磁化は二つのサブ格子磁化貢献のベクトル総和に一致する。図５は３ｄ貢献用の飽和磁化Ｍ３ｄと４ｆ貢献用のＭ４ｆの絶対値の熱依存性と筆記層８の正味磁化ＭＴＯＴを示す。対応強制分野ＨＷが示されている。筆記層８が補償温度ＴＣＯＭＰであるならば、両磁化貢献Ｍ４ｆとＭ３ｄが等しく、全飽和磁化ＭＴＯＴが零であり、反平行に配向される両３ｄと４ｆサブ格子に一致する。これは理論的に無限に増加する強制分野ＨＷに一致する。図５が示すように、正味磁化方向がＴＣＯＭＰ以下の温度で４ｆ貢献によって支配され、逆にＴＣＯＭＰ以上の温度で３ｄ金属貢献によって支配される。温度が筆記層８のキュリー温度に或いはキュリー温度以上に増加されると、熱変動は、正味磁化が零になり、材料が純粋に常磁性であるようになる。
【００３２】
交換連結強磁性記憶層２１ａの逆転界ＨＲと総和磁化ＭＳの熱依存性は図６に表現されている。反強磁性記憶層２１ｂのブロック温度ＴＢＳと等しい、或いはＴＢＳより大きい温度で、強磁性記憶層２１ａと反強磁性記憶層２１ｂとの交換連結は小さい逆転界ＨＲを生じるよう消える。強磁性記憶層２１ａと反強磁性記憶層２１ｂとの対応磁化が図に概略的に示されている。
【００３３】
この発明によると、筆記処理は１０５Ａ／ｃｍ２と１０７Ａ／ｃｍ２の程度の大きさを有し且つ１００ｎｓ以下を持続する電流パルスを使用する接合２の加熱を組合せ、筆記層８の正味磁化ＭＴＯＴと強磁性記憶層２１ａとの間に生じる静磁気相互作用により記憶層２１の磁化を逆転させることによって、達成される。反強磁性記憶層２１ｂの交換連結方向の逆転がＴＢＳ以上の接合温度で促進される。強磁性記憶層２１ａと反強磁性記憶層２１ｂとの交換連結が消えて、強磁性記憶層２１ａの逆転界ＨＲが上記されるように、小さくなる。反強磁性記憶層２１ｂの磁化の逆転は、さらに強磁性記憶層２１ａの付近に筆記層８を置いて静磁気相互作用を増加することによって、促進される。
【００３４】
この発明の一実施例において、筆記層８の厚さと組成が最適化されて、温度の高い安定性を有し且つ温度で周期化されるときに大きな静磁界を発生させる筆記層８を得る。ここで、例えば筆記層８が厚さ１０−１００ｎｍであり、例えばＧｄＣｏ，ＳｍＣｏ，或いはＴｂＦｅＣｏのようなＧｄ，Ｓｍ或いはＴｂを備えるＣｏ或いはＦｅを含有する合金から形成されている。
【００３５】
この発明の熱支援ＭＴＪベースＭＲＡＭの完全筆記処理周期は、図７に概略的に表現されている。さらに、特に、図は、飽和磁化Ｍｓと強制分野ＨＷと筆記層８の逆転界ＨＲと記憶層２１の熱依存性をそれぞれに示す。つまり、筆記層８と記憶層２１の対応磁化状態は図７の右手側に概略的に例示されて、彎曲矢印は筆記層８と強磁性記憶層２１ａの間に起こる静磁界を表現する。
【００３６】
異なった筆記処理工程は以下に記載されている。異なった工程は丸付き数字によって図に同じことが確認される。この例では、筆記層８の補償温度ＴＣＯＭＰは反強磁性記憶層２１ｂのブロック温度ＴＢＳより高い。
【００３７】
工程１、初期工程−最初の状態では、電流が接合を通って流れなく、接合が準備温度Ｔ１である。このブロック温度ＴＢＳ以下の温度では、筆記層８の正味磁化は４ｆ貢献の配向によって支配されて、静磁化相互作用による反強磁性記憶層２１ｂの磁化に関して反平行に配向されている。
【００３８】
工程２、筆記層３ｄ磁化の逆転−接合電流パルス３１が接合２を通して送られ、反強磁性記憶層２１ｂのブロック温度ＴＢＳや筆記層８の補償温度ＴＣＯＭＰ以上であるが、しかし二つのそれぞれの層のキュリー温度以下である温度Ｔ２に接合２を加熱する。温度Ｔ２では、筆記層８の正味磁化は初期工程の方向に比べて１８０°だけ逆転された磁化方向を有する唯一の３ｄ貢献に対応し、強磁性記憶層２１ａの磁化と反平行になる。
【００３９】
工程３、筆記層４ｆ磁化の逆転−接合２温度が筆記層８の補償温度ＴＣＯＭＰより低いが、しかしブロック温度ＴＢＳより高い温度Ｔ３に下降されると、筆記層磁化の４ｆ貢献は初期工程に比較して逆転方向に再現して、３ｄ貢献と反平行である。温度Ｔ３では、３ｄと４ｆ磁化貢献は初期工程における配向に関して１８０°だけ回転される。
【００４０】
工程４、強磁性記憶層の逆転−温度が僅かにブロック温度ＴＢＳ以上の温度Ｔ４に下降されると、筆記層８の４ｆ磁化貢献は静磁化相互作用を誘導するために十分に大きくなり、筆記層８の正味磁化に関して反平行方向に強磁性記憶層２１ａの磁化を逆転できる。
【００４１】
工程５、最終工程−ブロック温度ＴＢＳ以下の温度Ｔ５にさらに下降されることによって、強磁性記憶層２１ａの磁化は工程４の反平行逆転方向に凍結される。この最終工程では、強磁性記憶層２１ａの磁化と筆記層８の正味磁化が初期工程におけるそれぞれの配向に関して１８０°だけ回転される。
【００４２】
上記筆記処理工程からわかったように、強磁性記憶層２１ａ磁化の方向は、強磁性記憶層２１ａの初期磁化方向と独立に各完全筆記周期（初期工程から最終工程まで）の間に逆転される。結局、「筆記前読取り」工程が各筆記周期に先立って必要とされメモリセルの初期状態を検知し、その論理状態を推論する。
【００４３】
この発明は上記例示実施例に限定されず、実施の他の例も特許請求の範囲内に可能であることが理解される。
【００４４】
例えば、この発明の他の実施例では、典型的にＢｉＴｅ或いはＧｅＳｂＴｅから形成され（示されていない）且つ非常に低い熱伝導率を有する少なくとも一つの熱障壁層は接合２の頂部や底部に加えられる。これら追加層の目的は、接合２と接続電流ライン７の間に電気接続を保証する電極（示されていない）へ熱の拡散を制限しながら、接合を通って流れる電流の熱効率を増加させることである。ここで、熱障壁自体が直接に、或いは例えばＴｉＮ或いはＴｉＷＮから形成された伝導層を介して電極に電気的に接続される。
【００４５】
磁気メモリ装置（表現されていない）はこの発明の複数のメモリセル１から成るマトリックスを組み立てることによって形成されて、各メモリセル１の各接合２が筆記層８の側で接続電流ライン７に接続され、その反対側で接続電流ライン７と垂直に置かれた制御電流ライン６に接続されている。メモリセル１の一つが書き込まれると電流パルスが一つ或いは幾つかの制御電流ライン６に送られ、モードオンで対応制御ライン６のトランジスタ３少なくとも一つに置き、接合電流パルス３１が書き込まれるメモリセル、即ち活性接続電流ライン７と活性制御ライン６の相互作用に置かれたメモリセルに対応する各接続電流ライン７に送られる。
【符号の説明】
【００４６】
１．．．．．メモリセル
２．．．．．接合
２１．．．．記憶層
２１ａ．．．強磁性記憶層
２１ｂ．．．反強磁性記憶層
２２．．．．絶縁層
２３．．．．基準層
２３ａ．．．第一強磁性基準層
２３ｂ．．．非強磁性基準層
２３ｃ．．．第二強磁性基準層
２４．．．．反強磁性基準層
３．．．．．トランジスタ
３１．．．．接合電流パルス
４．．．．．ワード電流ライン
４１．．．．ワード磁界
５．．．．．ビット電流ライン
５１．．．．ビット磁界
６．．．．．制御電流ライン
７．．．．．接続電流ライン
８．．．．．筆記層
９．．．．．非磁気スペース層
ＨＲ．．．．強磁性記憶層の逆転界
ＨＷ．．．．筆記層の強制界
Ｍ３ｄ．．．３ｄサブ格子の磁化貢献
Ｍ４ｆ．．．４ｆサブ格子の磁化貢献
ＭＳ．．．．飽和磁化
ＭＴＯＴ．．正味磁化
ＴＢＳ．．．反強磁性記憶層のブロック温度
ＴＢＲ．．．反強磁性基準層のブロック温度
ＴＣＯＭＰ．補償温度
ＴＣＳ．．．反強磁性記憶層のキュリー温度
ＴＣＷ．．．筆記層のキュリー温度
Ｔ１．．．．工程１の温度（準備温度）
Ｔ２．．．．工程２の温度
Ｔ３．．．．工程３の温度
Ｔ４．．．．工程４の温度
Ｔ５．．．．工程５の温度
【図１】
2011507243.tif 000003
【図２】
2011507243.tif 000004
【図３】
2011507243.tif 000005
【図４】
2011507243.tif 000006
【図５】
2011507243.tif 000007
【図６】
2011507243.tif 000008
【図７】
2011507243.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成22年8月12日(2010.8.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電子システムでデータを記憶読取るように使用された磁気メモリ、特に非揮発性ランダムアクセス磁気メモリの分野に関する。さらに、特に、この発明は磁気トンネル接合に基づいたＭＲＡＭとして参照された磁気ランダムアクセスメモリと熱支援筆記構成を使用するトンネル接合ベースＭＲＡＭに使用された接合筆記処理の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気メモリＭＲＡＭは周辺温度で強い磁石抵抗を有する磁気トンネル接合（ＭＴＪ）の発見による新たな関心の目的であった。これら磁気ランダムアクセスメモリが速度（筆記と読取りの数ナノセカンドの期間）、非揮発性、イオン化放射に対する無感性のような多くの利点を表す。結局、それらは充填状態の蓄電器（ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ、ＦＬＡＳＨ）に基づいたさらに従来技術を使用するメモリを益々と取り替える。
【０００３】
従来のＭＴＪベースＭＲＡＭでは、磁気セルは幾つかの交互に磁気と非磁気金属層のスタックから成る接合を有する要素から成る。従来のＭＴＪベースＭＲＡＭ装置の例は、米国特許第５６４０３４３号明細書（特許文献１）に記載されている。その最も簡単な形態では、ＭＴＪベースＭＲＡＭの接合は、第一層、即ち基準層が一定磁化により特徴付けられ、第二層、即ち記憶層が方向を変化させ得る磁化により特徴付けられる絶縁薄層により分離された異なった強制の二つの磁気層から形成される。基準層と記憶層のそれぞれの磁化が反平行であるならば、接合の抵抗が高い。言い換えると、それぞれの磁化が平行であるならば、抵抗が低くなる。
【０００４】
選択的に、基準層と記憶層が鉄、コバルト或いはニッケル或いはそれら合金のような３ｄ金属から形成されている。偶発的に、硼素が非結晶形態学と平らなインターフェイスを得るために層組成物に加えられる。典型的には、絶縁層がアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）或いは酸化マグネシウム（ＭｇＯ）から成る。選択的に、基準層がそれ自体に例えば米国特許第５５８３７２５号明細書（特許文献２）に記載される如く幾つかの層から成り、合成非強磁性層を形成する。「磁力と磁気材料のジャーナル」（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ  ａｎｄ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌ）第２２３巻（２００１年）、第２９３頁（非特許文献１）に斉藤他により報告書に記載された二重トンネル接合が使用され得る。この場合には、記憶層が二つの薄絶縁層間にサンドイッチになっていて、二つの基準層が薄絶縁層の各対向側面に位置されている。
【０００５】
図１は記憶層２１、絶縁層２２と基準層２３から成る接合２が選択ＣＭＯＳトランジスタ３とワード電流ライン４の間に配置されている従来のＭＴＪベースＭＲＡＭのメモリセル１を示す。ビット電流ライン５はワード電流ライン４と垂直に置かれている。電流がワードライン４とビット電流ライン５に流れるならば、ワードとビット磁界４１と５１がそれぞれに発生される。電流は１０ｍＡの程度の大きさを有する２から５までのナノセカンドの典型的に短い電流パルスである。追加制御電流ライン６がトランジスタ３の開放或いは閉鎖を制御するように意図されて各メモリセルに個々にアドレスする。
【０００６】
筆記処理中にトランジスタ３がブロックモード（オフ）であり、電流が接合２を通過しない。電流パルスの強度とその同期は、二つの電流ラインの交点に位置された記憶層２１の磁化のみがワード磁界４１とビット磁界５１の組合せ効果の下で切り換えできる。
【０００７】
読取り処理中にトランジスタ３が飽和モード（オン）であり、接合電流が接合２を通って流れてメモリセル１の接合抵抗の測定を可能とする。メモリセル１の状態は基準メモリセル１の抵抗と測定された抵抗とを比較することにより決定される。例えば、記憶層２１の磁化が「０」の値に一致する基準層２３の磁化と平行であるときに、低接合抵抗が測定される。逆に、基準層２３の磁化と反平行である記憶層２１の磁化が「１」の値に一致する高接合抵抗を生じる。
【０００８】
このタイプの従来のＭＴＪベースＭＲＡＭの基礎構造は米国特許第４９４９０３９号明細書（特許文献３）と米国特許第５１５９５１３号明細書（特許文献４）に詳細に記載されている一方、米国特許第５３４３４２２号明細書（特許文献５）はＭＴＪベースＭＲＡＭ構造に基づいたランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）の手段に関する。
【０００９】
上記筆記機構のタイプは幾つかの不利益を有する。特に記憶層２１の磁化の逆転が外界の効果の下で発生されるから、そして逆転界が静止的に分布されるから、上或いは下ワード或いはビット電流ライン４、５に沿って発生された磁界の効果により簡単にある近傍接合を偶発的に逆転することができる。サブミクロン寸法を有するメモリセルを備える高密度メモリのために、アドレスミスの数が多い。メモリセル大きさの減少は個々の逆転界の値の増加を導き、メモリセルを筆記するより高い電流を必要とし、回路消費を増加させる。結局、二つの電流ラインを使用する筆記モードが集積密度を制限する。
【００１０】
上記ＭＴＪベースＭＲＡＭ構造に関する改良は、米国特許出願公開第２００５００２２２８号明細書（特許文献６）に記載され且つ図２に表現された熱支援筆記処理である。そのような熱支援ＭＲＡＭの接合２の特性は、基準層２３と記憶層２１の両方が交換されることである。さらに、正確に基準層２３と記憶層２１が隣接反強磁性基準層２４と反強磁性記憶層２１ｂとの相互作用により留められ、反強磁性記憶層２１ｂのブロック温度ＴＢＳが反強磁性基準層２４のブロック温度ＴＢＲより小さい。
【００１１】
熱支援筆記処理中に、１０５Ａ／ｃｍ２と１０７Ａ／ｃｍ２の間に成形された大きさを有し且つ幾つかのナノセカンドを持続する接合電流パルス３１が接続電流ライン７と接合２（トランジスタＯＮを備える）を通して送られ、接合の温度を約１２０−２００℃に上昇させ、ＴＢＳとＴＢＲの間に横たわり、強磁性記憶層２１と反強磁性記憶層２１ｂの間の磁気連結が消える。接合２が冷却される一方、適度なワード磁界４１がワード電流ライン４に電流を流すことによって印加されて、記憶層２１の磁化の逆転を許す。
【００１２】
読取り処理が接合（トランジスタＯＮを備える）を通過する測定電流を形成することにより実施されて、接合抵抗を測定し、前記抵抗値から記憶層の磁化の配向を推論する。測定電流が接合の僅かな加熱を生じる筆記処理中に使用された電流より低い。
【００１３】
熱支援筆記処理を備える同様なＭＴＪベースＭＲＡＭ構造は米国特許出願公開第２００５１８０２０２号明細書（特許文献１３）に開示されている。ここで、磁気要素は強磁性自由層、強磁性留め層、自由層と留め層の間のスペース層１２０から成る。磁気要素はさらに自由層１３０に交換連結する熱支援スイッチング層から成り、約１５０℃のブロック温度以下の温度に自由層１３０の磁化を留める。
【００１４】
従来のＭＴＪベースＭＲＡＭと対照して、上記熱支援ＭＴＪベースＭＲＡＭ構造は反強磁性記憶層２１ｂの留めによる記憶層２１の著しく改良された熱安定性によって特徴付けられる。改良された筆記選択性は、周辺温度に残留する近傍メモリセルと比較して、筆記されるメモリセルの選択的加熱により実施される。熱支援ＭＴＪベースＭＲＡＭ構造は、メモリセル１を加熱するのに必要とされた電力が従来のＭＴＪベースＭＲＡＭ構造に磁化を発生させるように必要とされた電力以下であるので、周辺温度で高磁気異方性；安定性限度を影響させることなしにより高い集積密度と；筆記処理中の減少電力消費を備える材料を使用することにより零磁界（保持）により良い安定性を可能とする。
【００１５】
しかしながら、上記熱支援ＭＴＪベースＭＲＡＭにより、記憶層磁化を切り換えるために適切である磁界を発生させるために、即ち３０−５０Ｏｅのために供給される電流がｍＡ範囲にある。この電流は低電力消費利用にはあまりに大過ぎであり、セル大きさが減少されるときに、連続的に増加する。
【００１６】
記憶層の磁化の切り換え用のスピン極性化電流を使用することにより電流ワードとビットラインの使用を回避する選択的熱支援ＭＴＪベースＭＲＡＭ構造は、米国特許出願公開第２００５０１０４１０１号明細書（特許文献７）、米国特許第６６０３６７７号明細書（特許文献８）と米国特許第６５３２１６４号明細書（特許文献９）に提案されていた。しかしながら、提案された解決手段は、低電力利用のために適していなく、メモリセルの合理的低観点比を保持しながら、長時間に情報の安定性を保証できない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【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５５８３７２５号明細書
【特許文献３】米国特許第４９４９０３９号明細書
【特許文献４】米国特許第５１５９５１３号明細書
【特許文献５】米国特許第５３４３４２２号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２００５００２２２８号明細書
【特許文献７】米国特許出願公開第２００５０１０４１０１号明細書
【特許文献８】米国特許第６６０３６７７号明細書
【特許文献９】米国特許第６５３２１６４号明細書
【特許文献１０】米国特許第６３８５０８２号明細書
【特許文献１１】米国特許出願公開第２００５０４０４３３号明細書
【特許文献１２】米国特許第７１２９５５５号明細書
【特許文献１３】米国特許出願公開第２００５１８０２０２号明細書
【非特許文献】
【００１８】
【非特許文献１】「磁力と磁気材料のジャーナル」（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ  ａｎｄ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌ）第２２３巻（２００１年）、第２９３頁。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
この発明の目的は、先行技術の少なくとも幾つかの限定を克服する熱支援筆記手順を備えて且つ低電力消費であるＭＲＡＭタイプの磁気メモリ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
この実施例によると、熱支援筆記手順を備えるＭＲＡＭタイプの磁気メモリ装置であって、この磁気メモリ装置は複数のメモリセルから形成され、各メモリセルが磁気トンネル接合から成り、磁気トンネル接合がデータが筆記処理で書き込まれる磁気記憶層と、基準層の磁化が筆記処理の任意の時間にいつも実質的に同じ方向である基準層と、基準層と記憶層との間に挿入された絶縁層とから成り、磁気トンネル接合がさらに第二鉄磁気３ｄ−４ｆ非結晶合金から形成され且つ３ｄ遷移金属原子のサブ格子から生じる第一磁化貢献と４ｆ希土類原子のサブ格子から生じる第二磁化貢献とを含有する正味磁化から成る筆記層から成る。
【００２１】
一実施例では、筆記層の正味磁化が筆記層の補償温度ＴＣＯＭＰ以下の温度で第二磁化貢献によって支配され、そして補償温度ＴＣＯＭＰ以上の温度で第一磁化貢献によって支配される。
【００２２】
一実施例では、筆記層が記憶層の頂部に配置され得て、１０乃至１００ｎｓの厚さを有する。
【００２３】
他の実施例では、筆記層がＧｄＣｏ，ＳｍＣｏ，或いはＴｂＦｅＣｏから構成されている。
【００２４】
さらに、他の実施例では、磁気トンネル接合がさらに、筆記層と記憶層の間の非磁気スペース層から成る。
【００２５】
さらに、他の実施例では、記憶層は、強磁性記憶層と反強磁性記憶層とから成る。強磁性記憶層が永久合金（Ｎｉ８０Ｆｅ２０），Ｃｏ９０Ｆｅ１０，或いはＦｅ、Ｃｏ或いはＮｉを含有する他の合金から成るグループから選択された強磁性材料から形成され、そして１乃至１０ｎｍの程度の厚さを有する。
【００２６】
さらに、他の実施例では、反強磁性記憶層がＩｒＭｎ或いはＦｅＭｎのようなマンガンベース合金から形成される。反強磁性記憶層がさらに１２０℃から２２０℃までの適度なブロック温度ＴＢＳを有する。
【００２７】
さらに、他の実施例では、基準層は第一強磁性基準層と第二強磁性基準層とから成り、それら第一と第二強磁性基準層の間に非強磁性基準層を挿入することにより反強磁性的に連結されている。強磁性基準層がＦｅ，Ｃｏ，或いはＮｉベース合金から形成される。反強磁性基準層が反強磁性記憶層のブロック温度ＴＢＳより高いブロック温度ＴＢＲを有する。
【００２８】
さらに、他の実施例では、強磁性基準層の一つが反強磁性記憶層によって留められる。反強磁性記憶層がＰｔＭｎ或いはＮｉＭｎから形成される。
【００２９】
さらに、他の実施例では、絶縁層がＡｌ２Ｏ３とＭｇＯから成るグループから選択された材料から形成される。
【００３０】
さらに、他の実施例では、熱障壁層が接合の頂部と底部に加えられる。熱障壁がＢｉＴｅ或いはＧｅＳｂＴｅから形成される。
【００３１】
さらに、他の実施例では、磁気メモリ装置の各メモリセルの各接合が筆記層の側で接続電流ラインに接続され、反対側で接続電流ラインと垂直に置かれた制御電流ラインと接続されている。
【００３２】
この開示は、記憶層の磁化を回転させるために、接合電流パルスを使用する接合の加熱と筆記層の正味磁化により発生された静磁界とを組合せにより実施された筆記処理に関する。ここでは、接合を加熱することは強磁性記憶層の逆転界の減少を可能とする。
【００３３】
一実施例では、この方法は、強磁性層の磁化と実質的に反平行に筆記層の第一磁化貢献の磁化を逆転させること；
第一磁化貢献と実質的に反平行に筆記層の第二磁化貢献の磁化を逆転させること；
筆記層の正味磁化に関して実質的に反平行に強磁性記憶層の磁化を逆転させることから成る。
【００３４】
この発明の熱支援ＭＴＪベースＭＲＡＭは、ワードとビット電流ラインの使用を回避し、結局、かなり低い電力消費を有し、さらに先行技術の従来の熱支援ＭＴＪベースＭＲＡＭと比較して容易に一定の割合で減少され得る。さらに、ワードとビット電流ラインが使用されるときの場合には、提案された筆記処理がスイッチング分野範囲から独立であるから、アドレスミスが減少されて、さらに確実なデータ筆記が得られる。
【００３５】
熱支援ＭＴＪベースＭＲＡＭにスピン極性化電流を使用する筆記処理と対照して、この発明の筆記処理に筆記層の磁化により発生された静磁界の使用は、低電流密度によるより良い電力消費性能と、反強磁性記憶層と記憶層との交換連結による接合のより良い熱安定性を生じる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
この発明は、例として与えられ且つ図により例示された実施例の記載によってより良く理解される。
【図１】先行技術による磁気トンネル接合メモリセルの概略図を示す。
【図２】先行技術による熱支援ＭＲＡＭのメモリセルと対応接合を表す。
【図３】この発明によるメモリセルを概略的に例示する。
【図４】この発明による接合を概略的に例示する。
【図５】この発明による第二鉄磁気筆記層用の飽和磁化と強制界ＨＷの熱依存性を示す。
【図６】交換連結された強磁性記憶層用の飽和磁化Ｍｓと逆転界ＨＲの熱依存性を示す。
【図７】この発明の熱支援ＭＴＪベースＭＲＡＭの完全筆記手順周期を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
この発明のメモリセル１は図３に表現されて、トランジスタ３がオンであるときに、接合２が選択ＣＭＯＳトランジスタ３と接合２を通過する接合電流パルス３１を通す接続電流ライン７の間に置かれている。制御電流ライン６はトランジスタ３の開放と閉鎖を制御するように使用されて各メモリセルに個々にアドレスする。
【００３８】
この発明の接合２の閉鎖図は、図４で与えられる。接合は好ましくは強磁性記憶層２１ａと反強磁性記憶層２１ｂとから成る記憶層２１を含有する。強磁性記憶層２１ａは１−１０ｎｍの程度の厚さを有し、典型的に永久合金（Ｎｉ８０Ｆｅ２０），Ｃｏ９０Ｆｅ１０，或いはＦｅ、Ｃｏ或いはＮｉを含有する他の合金のグループから選択された平らな磁化を有する材料から形成される。強磁性記憶層２１ａは、例えばＩｒＭｎ或いはＦｅＭｎのマンガンベース合金から形成された反強磁性記憶層２１ｂにより交換連結される。反強磁性記憶層２１ｂは十分に高くブロック温度を有し、準備温度で、即ち加熱のない場合に、強磁性記憶層２１ａの磁化が十分に留められ数年間に渡って磁化を保持できるが、しかし、材料低下と高電力消費に生じた各筆記処理中に接合を過度に加熱するために必要とする高くない。ここで、例えば１２０−２２０℃の範囲のＴＢＳは適している。
【００３９】
接合２は、好ましくは第一強磁性基準層２３ａと第二強磁性基準層２３ｃとから成り、両方がＦｅ、Ｃｏ或いはＮｉベース合金から形成されている基準層２３を含有する。二つの強磁性基準層２３ａと２３ｃは、例えばルテニウムから形成された非強磁性基準層２３ｂをそれらの間に挿入することにより反強磁性的に連結される。好ましくはＰｔＭｎ或いはＮｉＭｎのようなＭｎベース合金から形成され且つＴＢＳより高いブロック温度ＴＢＲによって特徴付けられた反強磁性基準層２４は、第二強磁性基準層２３ｃ以下に備えている。反強磁性基準層２４が第一強磁性基準層２３ａの磁気モーメントを配向させ、留め分野が発生されて、第二強磁性基準層２３ｃの磁気モーメントを固定させる。上記基準層構造が合成反強磁性留め層の名の下で先行技術で周知である。
【００４０】
トンネル障壁の役割を演じて且つ好ましくはＡｌ２Ｏ３とＭｇＯから成るグループから選択された材料から形成された絶縁層２２は、記憶層２１と基準層２３の間に挿入されている。接合のトンネル抵抗が指数的に絶縁層厚さに依存して、接合の抵抗領域生産（ＲＡ）によって測定される。ＲＡは接合を通して電流を流すように、十分に小さくなければならなく、この接合は反強磁性記憶層２１ｂの温度をそのブロック温度ＴＢＳ以上に上昇させるために十分に高い。典型的に１００℃までの接合の温度を上昇させるために必要とされた１０５Ａ／ｃｍ２と１０７Ａ／ｃｍ２の範囲に電流密度を強制するために、ＲＡ値が１−５００Ωμｍ２の程度である。
【００４１】
この発明によると、筆記層８は記憶層２１の頂部にて接合２に挿入されて、非磁気スペース層２１によって記憶層から分離され得る。筆記層８は選択的に十分な要素と３ｄ遷移金属と４ｆ希土類材料の間の相対組成物とを選択することにより第二鉄磁気３ｄ−４ｆ非結晶合金から形成される。ＭＲＡＭ装置に使用されたそのような第二鉄磁気層は、この発明の装置の異なった目的のために米国特許第４２０４３９６号明細書（特許文献１０）、米国出願公開特許第２００５０４０４３３号明細書（特許文献１１）と米国特許第７１２９５５５号明細書（特許文献１２）の書類に記載されている。
【００４２】
筆記層８の正味磁化は３ｄ遷移金属原子のサブ格子から生じる第一貢献と４ｆ希土類原子のサブ格子から生じる第二貢献に分解され得る。正味磁化は二つのサブ格子磁化貢献のベクトル総和に一致する。図５は３ｄ貢献用の飽和磁化Ｍ３ｄと４ｆ貢献用のＭ４ｆの絶対値の熱依存性と筆記層８の正味磁化ＭＴＯＴを示す。対応強制分野ＨＷが示されている。筆記層８が補償温度ＴＣＯＭＰであるならば、両磁化貢献Ｍ４ｆとＭ３ｄが等しく、全飽和磁化ＭＴＯＴが零であり、反平行に配向される両３ｄと４ｆサブ格子に一致する。これは理論的に無限に増加する強制分野ＨＷに一致する。図５が示すように、正味磁化方向がＴＣＯＭＰ以下の温度で４ｆ貢献によって支配され、逆にＴＣＯＭＰ以上の温度で３ｄ金属貢献によって支配される。温度が筆記層８のキュリー温度に或いはキュリー温度以上に増加されると、熱変動は、正味磁化が零になり、材料が純粋に常磁性であるようになる。
【００４３】
交換連結強磁性記憶層２１ａの逆転界ＨＲと総和磁化ＭＳの熱依存性は図６に表現されている。反強磁性記憶層２１ｂのブロック温度ＴＢＳと等しい、或いはＴＢＳより大きい温度で、強磁性記憶層２１ａと反強磁性記憶層２１ｂとの交換連結は小さい逆転界ＨＲを生じるよう消える。強磁性記憶層２１ａと反強磁性記憶層２１ｂとの対応磁化が図に概略的に示されている。
【００４４】
この発明によると、筆記処理は１０５Ａ／ｃｍ２と１０７Ａ／ｃｍ２の程度の大きさを有し且つ１００ｎｓ以下を持続する電流パルスを使用する接合２の加熱を組合せ、筆記層８の正味磁化ＭＴＯＴと強磁性記憶層２１ａとの間に生じる静磁気相互作用により記憶層２１の磁化を逆転させることによって、達成される。反強磁性記憶層２１ｂの交換連結方向の逆転がＴＢＳ以上の接合温度で促進される。強磁性記憶層２１ａと反強磁性記憶層２１ｂとの交換連結が消えて、強磁性記憶層２１ａの逆転界ＨＲが上記されるように、小さくなる。反強磁性記憶層２１ｂの磁化の逆転は、さらに強磁性記憶層２１ａの付近に筆記層８を置いて静磁気相互作用を増加することによって、促進される。
【００４５】
この発明の一実施例において、筆記層８の厚さと組成が最適化されて、温度の高い安定性を有し且つ温度で周期化されるときに大きな静磁界を発生させる筆記層８を得る。ここで、例えば筆記層８が厚さ１０−１００ｎｍであり、例えばＧｄＣｏ，ＳｍＣｏ，或いはＴｂＦｅＣｏのようなＧｄ，Ｓｍ或いはＴｂを備えるＣｏ或いはＦｅを含有する合金から形成されている。
【００４６】
この発明の熱支援ＭＴＪベースＭＲＡＭの完全筆記処理周期は、図７に概略的に表現されている。さらに、特に、図は、飽和磁化Ｍｓと強制分野ＨＷと筆記層８の逆転界ＨＲと記憶層２１の熱依存性をそれぞれに示す。つまり、筆記層８と記憶層２１の対応磁化状態は図７の右手側に概略的に例示されて、彎曲矢印は筆記層８と強磁性記憶層２１ａの間に起こる静磁界を表現する。
【００４７】
異なった筆記処理工程は以下に記載されている。異なった工程は丸付き数字によって図に同じことが確認される。この例では、筆記層８の補償温度ＴＣＯＭＰは反強磁性記憶層２１ｂのブロック温度ＴＢＳより高い。
【００４８】
工程１、初期工程−最初の状態では、電流が接合を通って流れなく、接合が準備温度Ｔ１である。このブロック温度ＴＢＳ以下の温度では、筆記層８の正味磁化は４ｆ貢献の配向によって支配されて、静磁化相互作用による反強磁性記憶層２１ｂの磁化に関して反平行に配向されている。
【００４９】
工程２、筆記層３ｄ磁化の逆転−接合電流パルス３１が接合２を通して送られ、反強磁性記憶層２１ｂのブロック温度ＴＢＳや筆記層８の補償温度ＴＣＯＭＰ以上であるが、しかし二つのそれぞれの層のキュリー温度以下である温度Ｔ２に接合２を加熱する。温度Ｔ２では、筆記層８の正味磁化は初期工程の方向に比べて１８０°だけ逆転された磁化方向を有する唯一の３ｄ貢献に対応し、強磁性記憶層２１ａの磁化と反平行になる。
【００５０】
工程３、筆記層４ｆ磁化の逆転−接合２温度が筆記層８の補償温度ＴＣＯＭＰより低いが、しかしブロック温度ＴＢＳより高い温度Ｔ３に下降されると、筆記層磁化の４ｆ貢献は初期工程に比較して逆転方向に再現して、３ｄ貢献と反平行である。温度Ｔ３では、３ｄと４ｆ磁化貢献は初期工程における配向に関して１８０°だけ回転される。
【００５１】
工程４、強磁性記憶層の逆転−温度が僅かにブロック温度ＴＢＳ以上の温度Ｔ４に下降されると、筆記層８の４ｆ磁化貢献は静磁化相互作用を誘導するために十分に大きくなり、筆記層８の正味磁化に関して反平行方向に強磁性記憶層２１ａの磁化を逆転できる。
【００５２】
工程５、最終工程−ブロック温度ＴＢＳ以下の温度Ｔ５にさらに下降されることによって、強磁性記憶層２１ａの磁化は工程４の反平行逆転方向に凍結される。この最終工程では、強磁性記憶層２１ａの磁化と筆記層８の正味磁化が初期工程におけるそれぞれの配向に関して１８０°だけ回転される。
【００５３】
上記筆記処理工程からわかったように、強磁性記憶層２１ａ磁化の方向は、強磁性記憶層２１ａの初期磁化方向と独立に各完全筆記周期（初期工程から最終工程まで）の間に逆転される。結局、「筆記前読取り」工程が各筆記周期に先立って必要とされメモリセルの初期状態を検知し、その論理状態を推論する。
【００５４】
この発明は上記例示実施例に限定されず、実施の他の例も特許請求の範囲内に可能であることが理解される。
【００５５】
例えば、この発明の他の実施例では、典型的にＢｉＴｅ或いはＧｅＳｂＴｅから形成され（示されていない）且つ非常に低い熱伝導率を有する少なくとも一つの熱障壁層は接合２の頂部や底部に加えられる。これら追加層の目的は、接合２と接続電流ライン７の間に電気接続を保証する電極（示されていない）へ熱の拡散を制限しながら、接合を通って流れる電流の熱効率を増加させることである。ここで、熱障壁自体が直接に、或いは例えばＴｉＮ或いはＴｉＷＮから形成された伝導層を介して電極に電気的に接続される。
【００５６】
磁気メモリ装置（表現されていない）はこの発明の複数のメモリセル１から成るマトリックスを組み立てることによって形成されて、各メモリセル１の各接合２が筆記層８の側で接続電流ライン７に接続され、その反対側で接続電流ライン７と垂直に置かれた制御電流ライン６に接続されている。メモリセル１の一つが書き込まれると電流パルスが一つ或いは幾つかの制御電流ライン６に送られ、モードオンで対応制御ライン６のトランジスタ３少なくとも一つに置き、接合電流パルス３１が書き込まれるメモリセル、即ち活性接続電流ライン７と活性制御ライン６の相互作用に置かれたメモリセルに対応する各接続電流ライン７に送られる。
【符号の説明】
【００５７】
１．．．．．メモリセル
２．．．．．接合
２１．．．．記憶層
２１ａ．．．強磁性記憶層
２１ｂ．．．反強磁性記憶層
２２．．．．絶縁層
２３．．．．基準層
２３ａ．．．第一強磁性基準層
２３ｂ．．．非強磁性基準層
２３ｃ．．．第二強磁性基準層
２４．．．．反強磁性基準層
３．．．．．トランジスタ
３１．．．．接合電流パルス
４．．．．．ワード電流ライン
４１．．．．ワード磁界
５．．．．．ビット電流ライン
５１．．．．ビット磁界
６．．．．．制御電流ライン
７．．．．．接続電流ライン
８．．．．．筆記層
９．．．．．非磁気スペース層
ＨＲ．．．．強磁性記憶層の逆転界
ＨＷ．．．．筆記層の強制界
Ｍ３ｄ．．．３ｄサブ格子の磁化貢献
Ｍ４ｆ．．．４ｆサブ格子の磁化貢献
ＭＳ．．．．飽和磁化
ＭＴＯＴ．．．正味磁化
ＴＢＳ．．．反強磁性記憶層のブロック温度
ＴＢＲ．．．反強磁性基準層のブロック温度
ＴＣＯＭＰ．補償温度
ＴＣＳ．．．反強磁性記憶層のキュリー温度
ＴＣＷ．．．筆記層のキュリー温度
Ｔ１．．．．工程１の温度（準備温度）
Ｔ２．．．．工程２の温度
Ｔ３．．．．工程３の温度
Ｔ４．．．．工程４の温度
Ｔ５．．．．工程５の温度
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱支援筆記手順を備えるＭＲＡＭタイプの磁気メモリ装置において、磁気メモリ装置が複数のメモリセルから形成され、各メモリセルは、データが筆記処理で書き込まれる磁気記憶層と、基準層の磁化が筆記処理の任意の時間にいつも実質的に同じ方向である基準層と、基準層と記憶層との間に挿入された絶縁層とから形成された磁気トンネル接合から成り、磁気トンネル接合がさらに第二鉄磁気３ｄ−４ｆ非結晶合金から形成され且つ３ｄ遷移金属原子のサブ格子から生じる第一磁化貢献と４ｆ希土類原子のサブ格子から生じる第二磁化貢献とを含有する正味磁化から成る筆記層から成ることを特徴とする磁気メモリ装置。
【請求項２】
筆記層の正味磁化は筆記層の補償温度ＴＣＯＭＰ以下の温度で第二磁化貢献によって支配され、補償温度ＴＣＯＭＰ以上の温度で第一磁化貢献によって支配されることを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ装置。
【請求項３】
筆記層がＧｄ，Ｓｍ或いはＴｂを備えるＣｏ或いはＦｅを含有する合金から形成されることを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ装置。
【請求項４】
磁気トンネル接合がさらに筆記層と記憶層の間の非磁気スペース層から成ることを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ装置。
【請求項５】
記憶層が強磁性記憶層と反強磁性記憶層とから成り、反強磁性記憶層がブロック温度ＴＢＳを有し、基準層はＴＢＳより高いブロック温度ＴＢＲを有する反強磁性基準層から成ることを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ装置。
【請求項６】
筆記層の補償温度ＴＣＯＭＰが反強磁性記憶層のブロック温度ＴＢＳより高く且つ基準層のブロック温度ＴＢＲより低いことを特徴とする請求項５に記載の磁気メモリ装置。
【請求項７】
各メモリセルが筆記処理中に逆転され得る磁化を有する強磁性記憶層を含有する磁気記憶層と、筆記処理中にいつも実質的に同じ方向である磁化を有する基準層と、基準層と記憶層との間の絶縁層とから形成された磁気トンネル接合から成り；磁気トンネル接合がさらに３ｄ遷移金属原子のサブ格子から生じる第一磁化貢献と４ｆ希土類原子のサブ格子から生じる第二磁化貢献とを包含する正味磁化から成る第二鉄磁気３ｄ−４ｆ非結晶合金から形成された筆記層から成り、複数のメモリセルから成る磁気メモリ装置に筆記する方法において；この方法は、筆記層の正味磁化を二層間の静磁気相互作用による強磁性記憶層の磁化に関して反平行に配向させること；
強磁性記憶層の磁化と実質的に反平行に筆記層の第一磁化貢献の磁化を逆転させること；
第一磁化貢献と実質的に反平行に筆記層の磁化貢献の磁化を逆転させること；
筆記層の正味磁化に関して実質的に反平行に強磁性記憶層の磁化を逆転させることから成ることを特徴とする方法。
【請求項８】
反強磁性記憶層がブロック温度ＴＢＳを有し、筆記層の正味磁化を配向することはＴＢＳ以下である温度Ｔ１である磁気トンネル接合により実行されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
正味磁化が筆記層の補償温度ＴＣＯＭＰ以上や以下の温度で第一と第二磁化貢献によって支配され、第一磁化貢献の磁化を逆転させることがブロック温度ＴＢＳや補償温度ＴＣＯＭＰ以上であるが、しかし筆記層と反強磁性記憶層のキュリー温度以下の温度Ｔ２に加熱されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
第二磁化貢献の磁化を逆転させることが補償温度ＴＣＯＭＰより低いが、しかしブロック温度ＴＢＳより高い温度Ｔ３である磁気トンネル接合により実行されて、強磁性記憶層の磁化を逆転させることがブロック温度ＴＢＳ以下の温度Ｔ５で実行されて、強磁性記憶層の磁化が凍結されることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
磁気トンネル接合が接合を通して接合電流パルスを通過させることによって温度Ｔ２に加熱されることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【国際調査報告】
2011507243.tif 000010
2011507243.tif 000011