(57)【要約】【課題】磁気メモリシステムにおいて、情報を都合よく、効率的に格納することを容易にする。【解決手段】本発明は、磁気メモリデバイスと方法である。磁気メモリデバイスは、合成フェリ磁性データ層（１２）と、軟らかい基準層（１４）と、トンネル層（１６）とを含む。合成フェリ磁性データ層（１２）は、第１の向きおよび第２の向きに向けることができる磁気モーメント（Ｍ１）を有する。軟らかい基準層（１４）は合成フェリ磁性データ層（１２）よりも低い保磁度を有する。トンネル層（１６）は、合成フェリ磁性データ層（１２）および軟らかい基準層（１４）の磁気モーメント（Ｍ１とＭ２）の向きによって影響を及ぼされる電気抵抗特性を有する。【選択図】図１
2004064073.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気メモリデバイスであって、
第１の向きおよび第２の向きに向けることができる磁気モーメント（Ｍ１）を有する合成フェリ磁性データ層（１２）と、
前記合成フェリ磁性データ層（１２）よりも低い保磁度を有する軟らかい基準層（１４）と、および
前記合成フェリ磁性データ層（１２）および前記軟らかい基準層（１４）の磁気モーメント（Ｍ１およびＭ２）の向きによって影響を及ぼされる電気抵抗特性を有するトンネル層（１６）とを備える、磁気メモリデバイス。
【請求項２】
前記軟らかい基準層（１４）が強磁性材料を含む、請求項１に記載の磁気メモリデバイス。
【請求項３】
前記軟らかい基準層（１４）が軟らかい合成フェリ磁性基準層である、請求項１に記載の磁気メモリデバイス。
【請求項４】
前記合成フェリ磁性データ層（１２）および前記軟らかい合成フェリ磁性基準層（１４）がそれぞれ、
前記第１の向きか、または前記第２の向きのいずれかに回転することができる磁気モーメントの向き（Ｍ２Ａ）を有する第１のサブ層（５２）と、
前記第１のサブ層（５２）と概ね反対に維持される磁気モーメントの向き（Ｍ２Ｂ）を有する第２のサブ層（５０）と、
前記第１のサブ層（５２）と前記第２のサブ層（５０）とを磁気的に結合するスペーササブ層（５４）とを含む、請求項３に記載の磁気メモリデバイス。
【請求項５】
前記軟らかい合成フェリ磁性基準層（１４）が、実質的に０である正味の保磁度を有する、請求項４に記載の磁気メモリデバイス。
【請求項６】
前記合成フェリ磁性データ層（１２）が、前記軟らかい合成フェリ磁性基準層（１４）よりも著しく大きな正味の保磁度を有する、請求項４に記載の磁気メモリデバイス。
【請求項７】
前記第１のサブ層（５２）および前記第２のサブ層（５０）が、前記合成フェリ磁性データ層（１２）および前記軟らかい合成フェリ磁性基準層（１４）において異なる構成を有する、請求項４に記載の磁気メモリデバイス。
【請求項８】
前記合成フェリ磁性データ層（１４）および前記軟らかい基準層（１２）が被覆される、請求項１に記載の磁気メモリデバイス。
【請求項９】
前記第１および前記第２の磁気の向きが、印加される磁界によって誘導される、請求項１に記載の磁気メモリデバイス。
【請求項１０】
前記印加される磁界の強度が、概ね数千アンペア／メートルより小さい、請求項９に記載の磁気メモリデバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はメモリデバイスに関する。より詳細には、本発明は磁気記憶デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子システムおよび電子回路は、現代社会の進歩に大きく貢献しており、有利な成果をあげるために多数の用途で利用されている。デジタルコンピュータ、計算機、オーディオ装置、映像装置、電話システムのような多くのエレクトロニクス技術が、ビジネス、科学、教育および娯楽のほとんどの分野において、生産性を向上するとともに、データ、アイデアおよびトレンドを分析し、かつ通信する際のコストを削減するのを容易にしている。多くの場合に、これらの有利な結果は、メモリ媒体上に格納され、かつ処理装置によって操作される情報を利用することを通して実現される。情報を格納するために利用されるメモリの構成およびタイプは、情報処理性能に大きな影響を持つ可能性がある。
【０００３】
多数の電子装置がプロセッサを含み、プロセッサは、有用なタスクを実行する際にデータを処理するための一連の命令を含むプログラムを実行することにより動作する。そのプログラムおよび関連したデータは通常、固有の標識またはアドレスを用いて記憶場所に格納される。処理装置が提供する有用性は多くの場合に、メモリが格納する情報の量、およびメモリがアクセスすることができる速度に依存する。メモリにアクセスし、迅速かつ好都合に情報を転送するための能力は一般に、情報処理の待ち時間に大きな影響を与える。
【０００４】
磁気メモリは、一般に多くの利点を提供する１つのタイプのメモリである。たとえば、磁気メモリは、ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）、同期ランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）、フラッシュメモリおよび従来のハードドライブのような他のタイプの短期および長期メモリに比べて、読出しおよび書込み動作を実行する速度が非常に速く、消費する電力が少ない。また、磁気メモリは通常、ハードドライブのような従来の長期記憶装置よりも著しく速く（数桁だけ）読出しおよび書込み動作を実行することができる。さらに、磁気メモリは通常、他のタイプの従来のメモリよりもコンパクトであり、より多くの情報をより小さな空間に記憶するのを容易にする。
【０００５】
典型的なＭＲＡＭデバイスは、メモリセルのアレイを含み、ワード線がメモリセルの行に沿って延在し、ビット線がメモリセルの列に沿って延在する。各メモリセルはワード線とビット線との交点に配置される。メモリセルは一般に、スピン依存トンネル（ＳＤＴ）接合のようなトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子に基づく。従来のＳＤＴ接合は、ピン止め層（ｐｉｎｎｅｄ　ｌａｙｅｒ）と、センス層と、ピン止め層とセンス層との間に挟まれた絶縁性トンネル障壁とを含む。ピン止め層は、所定の範囲内に磁界強度が印加されても回転しないように固定された磁化の向きを有する。センス層は２つの方向のいずれか、すなわちピン止め層の磁化と同じ方向か、またはピン止め層の磁化と反対の方向かのいずれかに向けられることができる磁化を有する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ピン止め層の磁化の向きは、一般に下側にある反強磁性（ＡＦ）ピンニング層によって固定される。いくつかの従来の磁気抵抗メモリデバイス内のピン止め層は、ある正味の磁気モーメントを有し、それが望ましくない作用を引き起こす場合がある。１つのそのような作用は減磁界の作用である。たとえば、ピン止め層からの磁界がセンス層に達し、この磁界があまりにも強くなる場合には、データの損失を引き起こすようにセンス層と相互作用する。さらに、ピン止め層からの磁界が存在することにより一般に、データ層の状態を切り替えるために非対称な磁界を用いることが必要になり、一般に書込み過程がさらに複雑になる。書込み中の漂遊磁界に対する許容度が低くなるので、さらに複雑な状態が生じる場合もある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、磁気メモリデバイスと方法である。本発明の一実施形態では、磁気メモリデバイスは、合成フェリ磁性データ層と、軟らかい基準層と、トンネル層とを含む。合成フェリ磁性データ層は、第１の向きおよび第２の向きに向けることができる磁気モーメントを有する。軟らかい基準層は合成フェリ磁性データ層よりも低い保磁度を有する。トンネル層は、合成フェリ磁性データ層および軟らかい基準層の磁気モーメントの向きによって影響を及ぼされる電気抵抗特性を有する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
ここで、本発明、すなわち磁気メモリシステムおよび方法の好ましい実施形態が詳細に参照され、それらの例が添付図面に示される。本発明は好ましい実施形態とともに説明されることになるが、本発明をこれらの実施形態に限定することを意図していないことは理解されたい。それどころか、本発明は代替形態、修正形態および等価物を網羅することを意図しており、それらは特許請求の範囲によって規定されるような本発明の思想および範囲内に含まれ得る。さらに、本発明の以下の詳細な説明では、本発明を完全に理解してもらうために、多数の具体的な細部が述べられる。しかしながら、本発明は、これらの具体的な細部を用いることなく実施され得ることは理解されたい。また、本発明の態様を不必要に曖昧にしないために、良く知られた方法、手順、構成要素および回路は、詳細に説明されていない。
【０００９】
本発明は、磁気メモリシステムおよび方法において、情報を都合よく効率的に格納することを容易にする。一実施形態では、本発明の磁気メモリデバイスは、（磁気的に）硬い合成強磁性データ（別称は、センス）層と、（磁気的に）軟らかい合成強磁性基準層とを含む。「硬い」および「軟らかい」という用語は相対的であり、本発明の説明を簡略化し、かつ不明瞭にするのを避けるために、説明の便宜上、「相対的に硬い」または「相対的に軟らかい」という語は単に「硬い」または「軟らかい」と呼ばれることは理解されたい。合成強磁性層を用いることにより、データ層および／または基準層の磁性サブ層を構成する際に同じ磁性材料を利用することが容易になる。これにより、正確な結晶方位を得ることに影響する組織および成長メカニズムの特異性の数が最小限に抑えられる。
【００１０】
図１は、本発明の一実施形態による磁気メモリデバイス１０のブロック図を示す。１つの例示的な実施形態では、磁気メモリデバイス１０はメモリセルである。磁気メモリデバイス１０は、合成フェリ磁性データ層１２と、軟らかい基準層１４と、合成フェリ磁性データ層１２と軟らかい基準層１４との間にあるトンネル障壁１６とを有する磁気トンネル接合１１を含む。合成フェリ磁性データ層１２はトンネル障壁１６に結合され、トンネル障壁１６は軟らかい基準層１４に結合される。合成フェリ磁性データ層１２はセンス層と呼ばれる場合もあり、第１および第２の向きに向けることができる磁気モーメントを有する。合成フェリ磁性データ層１２の磁化（ベクトルＭ１によって表される）および軟らかい基準層１４の磁化（Ｍ２によって表される）は、２つの方向（たとえば、データ層１２のＥＡ１のような磁化容易軸に沿った方向）のいずれかに概ね向けられるように動的に制御される。たとえば、トンネル障壁１６によって、合成フェリ磁性データ層１２と軟らかい基準層１４との間に量子力学トンネル効果が生じるようになり、垂直方向に加えられる電流に対する結果としての抵抗が、合成フェリ磁性データ層１２と軟らかい基準層１４との相対的な磁気モーメントの向きによって影響を及ぼされる。
【００１１】
合成フェリ磁性データ層１２および軟らかい基準層１４は、種々の材料からなることができる。たとえば、軟らかい基準層１４は、強磁性材料、あるいは人工反強磁性体としても知られる合成フェリ磁性材料（ＳＦ）から形成され得る。また、合成フェリ磁性データ層１２および軟らかい基準層１４は、異なる保磁度も有する。たとえば、基準層１４は、「硬い」データ層１２（たとえば、より高い保磁度を有する）に対して「軟らかい」（たとえば、より低い保磁度を有する）。保磁度は、層の磁気モーメントの向きが如何に容易に変更されるかに影響を与える。たとえば、軟らかい層の磁気モーメントの向きを変更するのは比較的容易である（たとえば、導体を流れる小さな電流によって生成される「弱い」磁界を用いることができる）。
【００１２】
トンネル障壁１６のトンネル現象は電子スピン依存性であり、それにより磁気トンネル接合１１の抵抗が、データ層１２および基準層１４の磁化ベクトル（Ｍ１およびＭ２）の相対的な向きの関数になる。たとえば、垂直方向に加えられる（たとえば、合成フェリ磁性データ層１２からトンネル障壁１６を通って軟らかい基準層１４に、あるいはその逆に流れる）電流に対する磁気トンネル接合１１の抵抗は、磁化ベクトル（たとえば、Ｍ１およびＭ２）の相対的な向きが同じである場合には第１の値（たとえばＲ）であり、磁化の向きが反対である場合には第２の値（たとえばＲ＋ΔＲ）である。トンネル障壁１６は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮｘ）および／または酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を含む種々の誘電体および半導体材料から形成され得る。トンネル障壁１６の厚みは、ある範囲（たとえば、約０．５ナノメートルから約３ナノメートル）内で変動する可能性がある。本発明は、特定のトンネル障壁の範囲に必ずしも限定されない。
【００１３】
格納された論理ビットの値を示すために、磁気トンネル接合１１の２つの異なる抵抗状態を用いる。たとえば、合成フェリ磁性データ層１２および軟らかい基準層１４の磁化ベクトルの向きが同じであるとき、垂直方向に加えられる電流に対する抵抗は、第１の所定の論理値（たとえば「０」）に対応する第１の抵抗値範囲内にあり、向きが反対であるとき、垂直方向に加えられる電流に対する抵抗は第２の所定の論理値（たとえば「１」）に対応する第２の抵抗値範囲内にある。合成フェリ磁性データ層１２の磁化ベクトルＭ１および軟らかい基準層１４の磁化ベクトルＭ２が概ね同じ方向を指す場合には、磁気トンネル接合１１の向きを「平行」であると呼ぶことができる。磁化ベクトルＭ１およびＭ２が概ね反対の方向を指す場合には、磁気トンネル接合１１の向きを「反平行」であると呼ぶことができる。２つの磁気の向き（平行および反平行）に対応する抵抗値は、論理値（たとえば「０」および「１」）に関連付けられ得る。ある特定の向きの構成によって表される論理値は、１つの実施形態において任意に予め決定される。
【００１４】
本発明は、２つの層の磁化の向きが互いに対して平行か、または反平行かのいずれかであることに限定されない。より一般的には、各層の磁気の向きは、層間で測定される抵抗の範囲が２つの識別可能な状態に関して異なるように選択され得る。１つの例示的な実施形態では、第１の状態は第１の安定した向きを含み、第２の状態は第２の安定した向きを含む。たとえば、合成フェリ磁性センス層は、２つの識別可能な状態のいずれかの磁化に関して動作可能である。２つの識別可能な状態は２つの安定した向きに関連付けられ、合成フェリ磁性データ層１２の磁気の向きのベクトルＭ１と軟らかい基準層１４の磁気の向きのベクトルＭ２との間の第１の角度範囲と、第２の角度範囲とを含むことができ、その場合、トンネル層の両端の電気抵抗は、２つの安定した磁気モーメントの向きに対応する第１の抵抗範囲と第２の抵抗範囲とを有する。電流に対する抵抗は、軟らかい基準層１４の磁気の向きに対する合成フェリ磁性データ層１２の第１または第２の磁気の向きの相対的な方向に応じて変化する。
【００１５】
磁気メモリデバイス１０内のデータ層および基準層の磁気の向きは、一群の電気導体要素に関連付けられる電磁界によって制御される。図１をさらに参照すると、ｘ軸に沿って延在する第１の導体１８が合成フェリ磁性データ層１２に結合される。ｙ軸に沿って延在する第２の導体２０が軟らかい基準層１４に結合される。第１および第２の導体１８および２０は、概ね直交するものとして示される（ただし、本発明は直交する向きに限定されない）。第２の導体２０の下には第３の導体２２（たとえば読出し導体）が存在し、それもｙ軸に沿って延在する。絶縁体２４（たとえば、誘電体材料の層）が、第２の導体２０と第３の導体２２とを分離する。導体（たとえば、１８、２０、２２）は、アルミニウム、銅、金または銀を含む種々の導電性材料からなることができる。導体（たとえば、導体１８、２０および／または２２）に特定の方向に電流を加えることにより、データ層および／または基準層は、導体の電流によって生成される電磁界にさらされる。十分な強度の磁界が印加されるとき、データ層および基準層の磁気の向きが、立証されている電磁気の原理（たとえば右手の法則）に適合し、明らかになる。
【００１６】
図２Ａおよび図２Ｂは、スペーササブ層５４（たとえば、スペーサ層５４は金属である）によって分離される第１および第２の強磁性サブ層５０および５２を含む合成フェリ磁性層５９の一例を示す。一例では、第１のサブ層は第１の向きまたは第２の向きのいずれかに回転可能な磁気モーメントの向きを有し、スペーササブ層は第１および第２のサブ層と磁気的に結合して、第２のサブ層が第１のサブ層と概ね反対に維持される磁気の向きを有するようにする。強磁性サブ層５０および５２は、コバルト鉄（ＣｏＦｅ）、ニッケル鉄（ＮｉＦｅ）、コバルト（Ｃｏ）等を含む種々の材料から形成されることができ、スペーササブ層５４は、ルテニウム（Ｒｕ）、レニウム（Ｒｅ）、ロジウム（Ｒｈ）、銅（Ｃｕ）、テルル（Ｔｅ）、クロム（Ｃｒ）等を含む導電性で、非磁性の材料から形成され得る。１つの例示的な実施形態では、スペーササブ層の厚みは、約０．２ｎｍ〜２ｎｍの範囲内にあり、各強磁性サブ層５０および５２は、同じ形状のヒステリシスループを有する、約７９０〜７９００Ａ／ｍ（１０〜１００Ｏｅ）の範囲内の保磁度を有する。
【００１７】
２つの強磁性サブ層の磁化ベクトルまたは磁気モーメントの向き間の交換結合は非常に強い。結果として、磁化ベクトルを「減結合し」、強磁性サブ層５０および５２において概ね逆向きの磁気モーメントの維持を解消するためには、非常に大きな磁界（たとえば３．２×１０５Ａ／ｍ（４０００Ｏｅ））が必要とされるであろう。たとえば、同じ方向を向く両方の強磁性層５０および５２の磁気モーメントの向きを完全に回転させるためには、３．２×１０５Ａ／ｍ（４０００エルステッド）の磁界が必要とされる可能性がある。スペーサ層５４のための適切な厚みおよび材料を選択することにより、交換結合を適度な強さにし、標準的な動作条件において、非常に小さな減結合または回転が生じて、強磁性層５０および５２の磁気モーメントベクトルが概ね１８０°異なる向きを指すようにすることができる。
【００１８】
合成フェリ磁性層の全モーメントまたは正味のモーメントは、強磁性サブ層のモーメントの差によって求められる。たとえば、合成フェリ磁性層５９の全モーメント（ＭＳＦ）は、第１の強磁性サブ層５０のモーメント（ＭＦＭ１）から第２の強磁性サブ層５２のモーメント（ＭＦＭ２）を引いた値に等しい。この関係は、式ＭＳＦ＝ＭＦＭ１−ＭＦＭ２によって表すことができる。本発明のこの不平衡の（等しくない）モーメントＭ１およびＭ２は、全体として０ではないモーメントを生じる。保磁度が低いことにより、ＳＦ層（たとえば基準層１４）の全磁化ベクトル（たとえばＭ２）は、図２Ａに示される向きと図２Ｂに示される向きとの間で容易に切り替えられることが可能になる。
【００１９】
スペーササブ層５４の材料および寸法（たとえば厚み）は、第１および第２のサブ層５０および５２が磁気的に結合され、それらの磁気の向きが概ね反対、すなわち反平行になるように選択される。たとえば、図２Ａはｙ軸の負の方向に沿って向けられる上側サブ層５２の磁化ベクトルＭ２Ａと、ｙ軸の正の方向に沿って向けられる下側サブ層５０の磁化ベクトルＭ２Ｂとを示す。スペーサ層５４の厚みは、スペーサ層５４に含まれる材料で決まる可能性がある。たとえば、スペーササブ層５４の厚みは約０．２ｎｍ〜２ｎｍとすることができる。
【００２０】
本発明の一実施形態では、合成フェリ磁性層は主サブ層を有し、主サブ層は、データ層、磁気トンネル障壁および主サブ層（たとえばサブ層５０）にわたって測定される抵抗に影響を与える。測定される抵抗は、データ層の磁気モーメントの向きまたは方向を判定するために用いられる。一実施形態では、主サブ層はトンネル障壁（たとえば、トンネル障壁１６）に最も近い。１つの典型的な実施形態では、基準方向づけ導体（たとえば、第３の導体２２）は、合成フェリ磁性層の別のサブ層よりも１つの強磁性サブ層（たとえば、５０あるいは５２）だけ離れている。こうして、各サブ層の磁気の向きが、その選択によって、各強磁性サブ層において１つの方向を支持することをわかることができ、その方向は、読出し導体（たとえば、第３の導体２２）を流れる電流の方向に部分的に依存する。
【００２１】
本発明の一実施形態では、合成フェリ磁性（ＳＦ）層の保磁度は低い。たとえば、合成フェリ磁性（ＳＦ）層（たとえば、合成磁気基準層）の保磁度は、別の層（たとえば、合成磁気データ層）よりも低く、より低い保磁度の合成フェリ磁性層は、より高い保磁度の層に対して軟らかい。たとえば、ＳＦ層内の保磁度が著しく低いことにより、ＳＦ層（たとえば、基準層１４）の磁化ベクトル（Ｍ２ＡおよびＭ２Ｂ）は、向き（たとえば、図２Ａおよび図２Ｂに示される）の間で容易に切り替えられることが可能になる。実際には、強磁性層５０および５２のための磁気モーメントベクトルＭ２ＡおよびＭ２Ｂの向きは、磁界がかけられる直前には、概ね反対の方向にある。一旦、磁界がかけられたなら、それらの向きは立証されている電磁気の原理（たとえば右手の法則）にしたがって明らかになる。合成フェリ磁性層の保磁度は低いので、強磁性層５０および５２に比較的小さな磁界がかけられる場合でも、磁化ベクトルＭ２ＡおよびＭ２Ｂが既知の（たとえば、印加された磁界に直交する）位置に動かされる。基準層は、正味の磁気モーメント（たとえば、正味の磁化ベクトル）が概ね０になるように構成される合成フェリ磁性層を含むことができる。たとえば、基準層は、概ね等しく、かつ反対を向く多数の磁化ベクトル（たとえば、磁化ベクトルＭ２ＡおよびＭ２Ｂ）を含むことができ、ひいては本質的に、ある距離において互いに「相殺する」ことができる。
【００２２】
本発明の一実施形態では、合成フェリ磁性（ＳＦ）層の保磁度は比較的高い。たとえば、合成フェリ磁性（ＳＦ）層（たとえば、合成磁気データ層）の保磁度は別の層（たとえば、合成磁気基準層）よりも高く、より高い保磁度の合成フェリ磁性層は、より低い保磁度の層に対して硬い。ＳＦ層の保磁度が高いことにより、ＳＦ層（たとえば、データ層１２）の磁化または磁気モーメントベクトル（Ｍ２ＡおよびＭ２Ｂ）が、低い磁界をかけても切り替わることなく、ある向き（たとえば、図２Ａおよび図２Ｂに示される）を保持することが可能になる。実際には、強磁性層５０および５２の磁気ベクトルＭ２ＡおよびＭ２Ｂの向きは、十分に強い磁界にさらされる際に設定される。一旦、磁界がかけられたなら、それらの向きは立証されている電磁気の原理にしたがって明らかになる。合成フェリ磁性層の保磁度は高いので、強磁性層５０および５２に比較的小さな磁界がかけられる場合でも、磁化ベクトル（たとえば、Ｍ２ＡおよびＭ２Ｂ）は、確立されている位置から変化しない。
【００２３】
図３は、硬い層（たとえば、データ層１２）と軟らかい基準層（たとえば、基準層１４）との間の典型的な保磁度の関係を示す図である。硬いデータ層の保磁度（Ｈｃ１）は、軟らかい基準層の保磁度（Ｈｃ２）よりも非常に（たとえば、少なくとも２倍〜５倍）高い。たとえば、硬いデータ層の保磁度（Ｈｃ１）は約１９７５Ａ／ｍ（２５Ｏｅ）にすることができ、軟らかい基準層の保磁度（Ｈｃ２）は約３９５Ａ／ｍ（５Ｏｅ）にすることができる。したがって、基準層はデータ層よりも軟らかいとみなされ、基準層の磁化ベクトル（たとえばＭ２）は非常に容易に反転する。
【００２４】
本発明のいくつかの実施形態では、合成フェリ磁性層は、３つ以上の強磁性層からなる。これらの実施形態では、隣接するサブ層（たとえば、強磁性サブ層）はスペーササブ層（たとえば、スペーサ層５４に類似）によって結合されることができ、隣接するサブ層に対して概ね反対の方向の磁気の向きを有することができる。一実施形態では、合成フェリ磁性層の正味の磁気モーメントは、基準層として用いられるときには実質的に０である。複数の実施形態が、合成フェリ磁性基準層に奇数および偶数両方の数の強磁性層を設ける。
【００２５】
ここで図４を参照すると、本発明の一実施形態、すなわち磁気メモリの方法４００の流れ図が示される。磁気メモリの方法４００は、磁気記憶デバイスを動作させる方法を提供する。磁気メモリの方法４００は、硬い合成フェリ磁性データ層および軟らかい基準層の利用を容易にする。１つの典型的な実施形態では、データ層および基準層の付近に電流が流され、データ層および基準層それぞれの磁気モーメントの向きに影響を与える磁界が生成される。
【００２６】
ステップ４１０では、合成フェリ磁性データ層において、ある特定の磁気の向きが確立される。特定の磁気の向きは、合成フェリ磁性データ層に情報を「格納」または「書き込む」ために用いられる論理値（たとえば、データビットの論理値）に対応する。これは、磁界を生成する第１の導体（たとえば第１の導体１８）および第２の導体（たとえば第２の導体２０）に１つまたは複数の電流を加えることにより達成され得る。データ層は、合成フェリ磁性データ層の磁気の向きを設定または生成する磁界にさらされる。その電流は、組み合わせにおいてデータ層の保磁度を超える磁界を生成するのに十分に高く、それによりデータ層の磁化ベクトル（たとえばＭ１）が所望の向き（その向きは、第１および第２の導体に供給される電流の方向に依存する）に設定される。その磁化は、論理「１」に対応する向きか、または論理「０」に対応する向きに設定される。データ層の磁化ベクトル（たとえばＭ１）は、導体（たとえば、１８および２０）から書込み電流が除去された後も、その向きを保持する。
【００２７】
基準層（たとえば、強磁性層５０および５２）の磁化ベクトル（たとえばＭ２）は、書込みプロセスによって影響を及ぼされる可能性があり、その向きを保持しない可能性がある。基準層（たとえば、基準層１４）が「非常に軟らかい」合成強磁性層である場合には、磁化ベクトル（たとえば、Ｍ２ＡおよびＭ２Ｂ）は、第１および第２の導体から書込み電流が除去されるときに、それらの磁化の向きを変更することができる。１つの典型的な実施形態では、導線は選択されたワード線および／またはビット線である。
【００２８】
一実施形態では、さらなる導体（たとえば、導体２２）を用いて、「書込み」動作を補助することができる。書込み動作中にさらなる導体（たとえば、第３の導体）に電流を供給することにより、その導体の周囲に結果として生成された磁界が、第１および第２の導体に関連した磁界と合成されて、データ層の磁化ベクトル（たとえばＭ１）を所望の向きに設定することを援助する。
【００２９】
さらに図４を参照すると、ステップ４２０では、軟らかい基準層（たとえば、基準層１４）に比較的小さな磁界がかけられる。その比較的小さな磁界によって、軟らかい基準層は、合成フェリ磁性データ層の磁気の向きを変更することなく、所定の磁気モーメントの向きを有するようになる。１つの典型的な実施形態では、比較的小さな磁界は、基準層のサブ層（たとえば、強磁性サブ層５２）に、磁界に概ね直交する磁気の向き（たとえばＭ２Ａ）を確立する。たとえば、基準層は、概ね同じ保磁度を有し、磁気的に反対方向に結合された多数の層またはサブ層自体を有することができる。磁界がかけられることにより、基準層の第１の強磁性層（たとえば、第１の強磁性サブ層５２）の磁気の向きが、データ層（たとえば、データ層１２）に対して概ね平行か、または概ね反平行かのいずれかの磁気の向き（たとえばＭ１）に確立される。
【００３０】
１つの例示的な実施形態では、導体（たとえば、第３の導体２２）に電流が供給され、結果として生成された磁界によって、軟らかい合成フェリ磁性基準層（たとえば、基準層１４）内の強磁性サブ層（たとえば、５０および５２）の磁化ベクトル（たとえば、Ｍ２ＡおよびＭ２Ｂ）が、ある特定の向きをとるようになる。結果として生じた磁界は、合成フェリ磁性データ層１２の磁化ベクトル（Ｍ１）には影響を及ぼさない。さらに、軟らかい基準層１４の保磁度は非常に小さいので、第３の導体の電流の大きさは小さくてもよい。たとえば、合成フェリ磁性基準層１４の保磁度バランスはわずか数エルステッド（たとえば、数百アンペア／メートル）とすることができる。
【００３１】
ステップ４３０では、磁気トンネル接合１１に垂直に印加された電圧に対する抵抗が測定される。たとえば、軟らかい基準層の第１の強磁性サブ層（たとえば、強磁性層５２）と硬いデータ層（たとえば、データ層１２）との間の抵抗が測定され、データ層の磁気の向き（たとえばＭ１）を判定するために用いられる。記憶素子に格納されたビットの論理値が、その抵抗レベルに基づいて判定される。このステップは、基準方向づけ導体（たとえば第３の導体２２）に電流を供給しながら、磁気トンネル接合（たとえば、磁気トンネル接合１１）の両端に電圧を印加することにより達成され得る。たとえば、第１および第２の導体１８および２０を用いて磁気トンネル接合１１の両端に電位差を印加することができ、その間に、第３の導体２２に供給される電流が軟らかい基準層１４の磁気モーメントの向きを確立する。第１および第２の導体１８および２０によって印加される電位差によって、磁気トンネル接合１１に「センス」電流が流れるようになる。センス電流（Ｉｓ）は、磁気トンネル接合１１の抵抗に反比例する。したがって、Ｉｓ＝Ｖ／ＲまたはＩｓ＝Ｖ／（Ｒ＋ΔＲ）である。ここでＶは印加される電圧であり、Ｉｓはセンス電流であり、Ｒは磁気トンネル接合１１の公称抵抗であり、ΔＲは平行な磁化の向きと反平行な磁化の向きとの間の抵抗の差である。
【００３２】
本発明は磁気メモリデバイスを読み出す他の方法にも容易に適合させることができる。たとえば、両極性パルスを基準層方向付け導体（たとえば第３の導体２２）に加えることができ、接合抵抗の遷移が検査される。図６Ａおよび図７Ａは、対応する図６Ｂおよび図７Ｂのパルス信号のためのＭ２の向きの変化に関する典型的な実施形態を示す。図６Ｃおよび図７Ｃは、結果として生じた抵抗変化または遷移を示す。遷移の方向（たとえば、ハイからローまたはローからハイ）がデータ層の磁化の向きを示し、それゆえ、磁気メモリデバイスに格納された論理値を示す。両極性読出し動作はそれ自体を基準にする。したがって、この動的なセンシング手法は、種々の素子にわたる変動に影響を受けない。
【００３３】
ここで図５を参照すると、本発明のメモリデバイスの１つの例示的な実施形態である磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）デバイス６１０が示される。ＭＲＡＭデバイス６１０は、磁気トンネル接合（たとえば、磁気トンネル接合１１）のアレイ６１２を含む。磁気トンネル接合は行および列に配列され、行はｙ方向に沿って延在し、列はｘ方向に沿って延在する。ＭＲＡＭデバイス６１０の例示を簡略化するために、比較的少数の磁気トンネル接合のみが示される。実際には、任意のサイズのアレイを用いることができる。磁気メモリトンネル接合は、２つの電気導体（たとえば、ワード線およびビット線）の交点に配置される。ワード線として機能する導電性要素（たとえば、第１の導体１８）がアレイ６１２の一方（たとえば上側）の面内にｘ方向に沿って延在する。ワード線は磁気トンネル接合（たとえば、磁気トンネル接合１１）のデータ層（たとえばデータ層１２）と接触する。ビット線として機能する導電性要素（たとえば、第２の導体２０）がアレイ６１２の隣り合う側（たとえば下側）の面内にｙ方向に沿って延在する。ビット線は磁気トンネル接合の基準層と接触する。一例では、アレイ６１２の行当たり１つのワード線が存在し、アレイ６１２の列当たり１つのビット線が存在する。
【００３４】
また、読出し線として機能する導電性要素が一方向（たとえばｙ方向）に沿って延在する。読出し線は、ビット線よりもトンネル接合から離れていてもよく、ビット線から絶縁されていてもよい。また、ＭＲＡＭデバイス６１０は、第１および第２の行デコーダ６１４ａおよび６１４ｂと、第１および第２の列デコーダ６１６ａおよび６１６ｂと、読出し／書込み回路６１８とを含む。読出し／書込み回路６１８はセンス増幅器６２０と、グランド接続６２２と、行電流源６２４と、電圧源６２６と、列電流源６２８とを含む。一実施形態では、同じ電気導体が読出し線および／または書込み線として機能することができる。
【００３５】
選択された磁気トンネル接合（たとえば、磁気トンネル接合１１）における書込み動作中に、第１の行デコーダ６１４ａが、選択されたワード線（たとえば、第１の導体１８）の一端を行電流源６２４に接続し、第２の行デコーダ６１４ｂが、選択されたワード線の他端をグランドに接続し、第１の列デコーダ６１６ａが、選択されたビット線（たとえば、第２の導体２０）の一端をグランドに接続し、第２の列デコーダ６１６ｂが、選択されたビット線の他端を列電流源６２８に接続する。結果として、選択されたワード線およびビット線（たとえば１８および２０）に書込み電流が流れる。書込み電流は磁界を生成し、その磁界によって、データ層および／または基準層の磁気モーメントが、ある特定の方向に向けられ、磁気トンネル接合に影響を与える。また、列デコーダ６１６ａおよび６１６ｂによって、選択された磁気トンネル接合を横切る読出し線（たとえば、導体２２）に書込み電流が流される。この第３の「書込み」電流は追加の磁界を生成し、その磁界によって、選択された磁気トンネル接合に関連した磁気モーメントの向きの切替えが援助される。データ層の磁化容易軸は、ｙ方向に向けられることができ、データ層の磁気ベクトルはそれに応じてｙ方向に向けられる。
【００３６】
選択された磁気トンネル接合における読出し動作中に、第１および第２の列デコーダ６１６ａおよび６１６ｂによって、選択された磁気トンネル接合（たとえば、磁気トンネル接合１１）を横切る基準方向づけ線に安定した電流が流される。基準方向づけ電流は磁界を生成し、その磁界によって、基準層の１つまたは複数の磁化ベクトル（たとえばＭ２ＡおよびＭ２Ｂ）が、ワード線（たとえば第１の導体１８）に対して平行に向けられる。基準方向づけ電流が依然として加えられている間に、第１の行デコーダ６１４ａが電圧源６２６を選択されたワード線（たとえば導体１８）に接続し、第１の列デコーダ６１６ａが選択されたビット線（たとえば導体２０）をセンス増幅器６２０の仮想グランド入力に接続する。結果として、選択された磁気トンネル接合（たとえば、磁気トンネル接合１１）を通ってセンス増幅器６２０の入力までセンス電流が流れる。このようにして、選択された磁気トンネル接合の抵抗を求めることができる。しかしながら、本発明は、磁気トンネル接合の抵抗を求めるこの方法に限定されない。
【００３７】
本発明は、必要に応じて導体に被覆を用いることにも容易に適合させることができる。被覆は、隣接する素子のシールド効果をさらに高め、たとえば、他の任意の線に基準線強磁性材料を被覆することにより、基準線をワード線、ビット線および／または読出し線と組み合わせることができる。１つの典型的な実施形態では、基準線を他の線と組み合わせることにより、余分な相互接続層をなくし、電力の消費を減らすのが容易になる。なぜなら、被覆することにより、読出しおよび書込み電流の大きさを減らすことが可能になるからである。
【００３８】
本発明の説明はトンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ）を引き合いに出すが、必ずしもこのタイプの磁気メモリデバイスに限定されない。本発明は、類似の動作特性を有する他のタイプの磁気抵抗デバイスに関連して実施され得る。たとえば、本発明は巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）デバイスに適用することができる。ＧＭＲデバイスはＴＭＲデバイスと同じ基本構成を有するが、データ層および基準層が、トンネル障壁の代わりに導電性の非磁性層によって分離される点が異なる。典型的な層の金属は、金、銀および銅を含む。データおよび基準磁化ベクトルの相対的な向きは、ＧＭＲデバイスの面内抵抗に影響を及ぼす。代案として、本発明は上側および下側スピンバルブに適用され得る。
【００３９】
本発明の特定の実施形態に関する上述の説明は、例示および説明のために提供されている。それらは、網羅的にすることや、本発明を開示されたそのものずばりの形態に限定することを意図するわけではなく、上述の教示に鑑みて、多くの修正および変形が明らかに可能である。それらの実施形態は、本発明の原理およびその実用的な応用形態を最もわかりやすく説明し、それにより当業者が、考慮される特定の用途に適するように、本発明および種々の修正形態を最も有効に利用できるようにするために選択されて説明された。本発明の範囲は、特許請求の範囲およびそれらの等価物によって規定されることが意図されている。
【００４０】
【発明の効果】
本発明により、磁気メモリシステムにおいて、情報を都合よく、効率的に格納することが容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による磁気メモリデバイスのブロック図である。
【図２Ａ】磁気モーメントが反対方向に向けられた合成フェリ磁性サブ層の一例を示す図である。
【図２Ｂ】向きが反転されたときでも相対的に反対の磁気モーメントの向きを維持する合成フェリ磁性サブ層の一例を示す図である。
【図３】硬いデータ層と軟らかい基準層との間の典型的な保磁度の関係を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態による磁気メモリ方法の流れ図である。
【図５】本発明のメモリデバイスの１つの典型的な実施形態による磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）デバイスを示す図である。
【図６Ａ】パルス信号の対応する変化に関連付けられた磁気モーメントの向きの典型的な変化を示す図である。
【図６Ｂ】本発明の一実施形態による典型的なパルス信号の図である。
【図６Ｃ】インパルス信号に応じた磁気モーメントの向きの変化に応答する典型的な結果として、抵抗が減少することを示す図である。
【図７Ａ】パルス信号の対応する変化に関連付けられた磁気モーメントの向きの典型的な変化を示す別の図である。
【図７Ｂ】本発明の一実施形態による典型的なパルス信号の別の図である。
【図７Ｃ】インパルス信号に応じた磁気モーメントの向きの変化に応答する典型的な結果として、抵抗が増加することを示す図である。
【符号の説明】
１０　磁気メモリデバイス
１２　合成フェリ磁性データ層
１４　基準層
１６　トンネル障壁
５０、５２　強磁性サブ層
５４　スペーササブ層
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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