(57)【要約】ＭＲＡＭセル（１０）、およびセルをプログラミングする方法を開示した。セルは共振周波数での強磁性共振を有し、その強磁性共振のＱが１以上である磁気材料からなる自由層（２）を含む。困難軸と容易軸との書き込み線は自由層と磁気接続する位置にある。クラッド層（６２）は困難軸書き込み線を部分的に囲み、同一の共振周波数を有し、１以上の強磁性共振Ｑを有する。共振周波数を含む書き込み信号が困難軸書き込み線（２０）に印加され、同時に、容易軸書き込み線（２１）にも印加される。セルとクラッド層とのＱが掛け合わされて、スイッチング磁場が増大し、即ち、同じ磁場を形成するのに必要な電流が削減される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対応共振周波数での強磁性共振を有する磁気材料からなる自由層を含むＭＲＡＭセルと、
該磁気材料からなる自由層と磁気接続する位置にある困難軸書き込み線と、
該磁気材料からなる自由層と磁気接続する位置にある容易軸書き込み線と、
対応共振周波数を含む書き込み信号を受信するために接続された、該困難軸書き込み線と容易軸書き込み線とのうちの１つと、
からなるＭＲＡＭ書き込み装置。
【請求項２】
前記磁気材料からなる自由層を含むＭＲＡＭセルと、
該磁気材料からなる自由層と磁気接続する位置にある困難軸書き込み線と、
該磁気材料からなる自由層と磁気接続する位置にある容易軸書き込み線と、
該困難軸書き込み線と容易軸書き込み線のうちの１つを部分的に囲み、かつ、クラッド層の共振周波数での強磁性共振を有するクラッド層と、
該クラッド層によって部分的に囲まれ、かつ、該クラッド層の共振周波数を含む書き込み信号を受信するために接続された該困難軸書き込み線と容易軸書き込み線のうちの１つと、
からなるＭＲＡＭ書き込み装置。
【請求項３】
対応共振周波数での強磁性共振を有する磁気材料からなる前記自由層であって、該磁気材料からなる自由層の強磁性共振は１以上の品質因子を有し、材料と形状とからなる磁気材料の自由層と、該磁気材料とその形状からなる自由層中に含まれる材料に依存する対応共振周波数と、からなるＭＲＡＭセルと、
該磁気材料からなる自由層と磁気接続する位置にある困難軸書き込み線と、
該磁気材料からなる自由層と磁気接続する位置にある容易軸書き込み線と、
書き込みパルスを受信するために接続された容易軸書き込み線と、対応共振周波数での複数のサイクルからなる書き込み信号を受信するために同時に接続された困難軸書き込み線と、
からなるＭＲＡＭ書き込み装置。
【請求項４】
対応共振周波数で、１以上の品質因子を有する強磁性共振を有する磁気材料からなる前記自由層を含むＭＲＡＭセルを形成する工程と、
該磁気材料からなる自由層と磁気接続する位置にある困難軸書き込み線を形成する工程と、
困難軸書き込み線を部分的に囲み、かつ、対応共振周波数とほとんど同一のクラッド層共振周波数を有するクラッド層を形成する工程と、
該磁気材料からなる自由層と磁気接続する位置にある容易軸書き込み線を形成する工程と、
困難軸書き込み線に対応共振周波数を含む書き込み信号を印加し、同時に、容易軸書き込み線に書き込みパルスを印加する工程と、
からなるＭＲＡＭセルを書き込みやプログラミングする方法。
【請求項５】
前記磁気材料からなる前記自由層を含むＭＲＡＭセルを形成する工程と、
該磁気材料からなる自由層と磁気接続する位置にある困難軸書き込み線を形成する工程と、
該磁気材料の自由層と磁気接続する位置にある容易軸書き込み線を形成する工程と、
困難軸書き込み線と容易軸書き込み線との１つを部分的に囲み、かつ、クラッド層共振周波数での強磁性共振を有するクラッド層を形成する工程と、
クラッド層に部分的に囲まれた困難軸書き込み線と容易軸書き込み線との１つにクラッ
ド層共振周波数を含む書き込み信号を印加する工程と、
からなるＭＲＡＭセルを書き込みやプログラミングする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁気抵抗型の情報メモリに関し、特に、磁気抵抗メモリの書き込みやプログラミングの装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気抵抗ＲＡＭ（ＭＲＡＭ）の構成は、複数かアレーのメモリセル及び複数のディジット線とビット線との交点からなる。通常使用される磁気抵抗メモリセルは、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）、分離トランジスタ、及び、ディジット線とビット線との交点からなる。しかしながら本発明はＭＴＪセルには限定されない。このセル型と関連する回路とは単に例として使用される。分離トランジスタは通常Ｎ‐チャネル電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）である。相互接続スタックは分離トランジスタをＭＴＪデバイス、ビット線およびディジット線に接続し、ＭＲＡＭセルのプログラミング磁場を発生させるために使用される。
【０００３】
ＭＴＪメモリセルは通常、下部電気接続を形成する非磁気導電体、ピン止めされた磁気層、ピン止め層の上部に位置するトンネル障壁層、及び、自由磁気層上に上部接続を有する、トンネル障壁層の上部に位置する自由磁気層からなる。
【０００４】
磁気材料のピン止め層は、常に同一方向を向いている磁気ベクトルを有する。自由層の磁気ベクトルは自由であるが、層の物理的サイズや他の異方性によって拘束されて、２つの方向の何れかを向く。ＭＴＪセルは、電気がセルを介して層の一方から他方へ垂直に流れるように、回路中に接続されることによって使用される。ＭＴＪセルは電気的には抵抗体として表され、その抵抗のサイズは磁気ベクトルの方向性に依存する。磁気ベクトルの配置を誤る（反対方向を向く）と、ＭＴＪセルは比較的に高抵抗値を有し、磁気ベクトルが正確な配置のときはＭＴＪセルは比較的に低い抵抗値を示す。ＭＴＪメモリセルの作製や動作に関する更なる情報は、１９９８年３月３１日に交付された、題名が「多層磁気トンネル接合メモリセル」の特許第５，７０２，８３１号に見出されるので、本明細書に援用する。
【０００５】
ビット線は通常ＭＴＪセルのアレーの各列と関連し、ディジット線はアレーの各行と関連する。ビット線とディジット線とは、アレー中の読み出し、書き込みやプログラミング情報用に、アレー中の個々のセルをアドレスするために使用される。選択したセルのプログラミングは、選択したセルの所で交差するビット線とディジット線とを介して所定の電流を流すことによって達成される。
【特許文献１】
米国特許第５，７０２，８３１号
【特許文献２】
米国特許第５，６５９，４９９号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
標準のメモリ構成には、高プログラミング電流、プログラミングの際の密充填セル間の間隔が不十分等の、幾つかの問題が知られている。
【０００７】
従って、これらの問題を克服するための、改良されたＭＲＡＭメモリやプログラミング法が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の目的や利点は、後述の、図と関連させた詳細説明から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は、本開示中で通常使用されるＭＴＪセル１０の簡単化した断面図であり、この型のメモリセルの動作を簡単に述べるために示した。本発明に関連して他の型のＭＲＡＭも使用し得るし、ここで述べるＭＴＪは単に例示として使用している。ＭＴＪセル１０は一対の磁気材料の層１１と１２を含む。層１１と１２はトンネル障壁材料層１４を挟んでいる。層１１と１２とは一般にそれぞれ、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）等の磁気材料の複数の層あるいはサブ層からなる。層１４は、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、等の非伝導材料からなる。
【００１０】
磁気材料の層の１つで、この説明における層１１は、大きなスイッチング磁場を有し、従って、矢印１６によって示されるその磁気ベクトル（今後はベクトル１６と称する）は、印加磁場がそれのスイッチング磁場よりも小さいときは、常に同じ方向を示す（ピン止めされる）。矢印１７で示される、層１２の磁気ベクトル（今後はベクトル１７と称する）は小さなスイッチング磁場を有して自由であるが、層１２の物理的サイズによって拘束されて、印加磁場がそれのスイッチング磁場よりも大きいときは、二つの方向の何れかに向く（二つの矢印で示す）。ＭＴＪメモリセルの作製や動作に関する更なる情報は、１９９８年３月３１日に交付された、題名が「多層磁気トンネル接合メモリセル」の特許第５，７０２，８３１号に見出されるので、本明細書に援用する。
【００１１】
セル１０は、電気がセル１０を介して層１１か１２から他方へ垂直に流れるように、回路中に接続されることによって使用される。セル１０は電気的には抵抗体として表され、その抵抗体のサイズは磁気ベクトル１６，１７の方向性に依存する。磁気ベクトル１６，１７の配置を誤る（反対方向を向く）と、セル１０は比較的に高抵抗値を有し、磁気ベクトル１６，１７が正確な配置のときはセル１０は比較的に低い抵抗値を示す。
【００１２】
セル１０は又、磁気接続されている対角線の書き込み線２０，２１を有する。一般に、代表的なメモリセルアレー（不図示）においては、書き込み線２０はセルの列近傍に配向され、書き込み線２１はセルの行近傍に配向される。即ち、アレー中のセルの各列は、書き込み線２０と同様の関連する書き込み線を有し、セルの各行は書き込み線２１と同様の関連する書き込み線を有する。更に、アレー中のすべての選択セル１０中の自由な磁気ベクトル（ベクトル１７）をスイッチするために必要な磁場の量は、選択された或いはアドレスされたセルと交わる複数の書き込み線の両方に流れる電流の組合せによって得られる。
【００１３】
図２を参照して、セル１０の少なくとも層１２は長方形の断面図を有し、長手軸はベクトル１７に平行に延び、縦軸はベクトル１７に垂直に延びる。実際に、層１１と１４は異なる形状を有するが、この開示においては簡単化のために層１２と同様な形状として示してある。又、この例では、書き込み線２０はセル１０の上部に位置し、書き込み線２１はセル１０の下部に位置するが、線２０，２１中の電流によって発生する磁場が、必要なスイッチングをするのに十分な限りは、他の位置でも良い。この好ましい実施例においては、長軸に平行な磁気軸は容易軸として示され、縦軸に平行な磁気軸は困難軸として示されている。更にこの好ましい実施例において、書き込み線２０は困難軸に平行な磁場を発生する位置にあり、書き込み線２１は容易軸に平行な磁場を発生する位置にある。
【００１４】
書き込み線２０中を流れる電流によって発生する磁場は、ベクトル１７を時計方向の１７ａか反時計方向１７ｂに部分的にスイッチするのに十分である。書き込み線２１を流れる電流は、ベクトル１７を残余の９０°以上動かして、反対方向にスイッチするのに十分な大きさの磁場を発生しなければならない。従来技術においては、線２０，２１のそれぞれに同時に、数ナノ秒から数十ナノ秒間パルス電流を印加し、書き込み線２０、２１に同時に印加された電流によって、パルス時間内にベクトル１７は完全にスイッチングする。上述した部分スイッチングは説明のために含めた。
【００１５】
セル１０（通常は層１２）は、ＭＳ（ＨＫ±ＨＥ）の平方根にほぼ比例する周波数で強磁性共振をする。ここでＭＳは飽和磁化で、ＨＫは層１２を形成する材料の異方性磁場である。異方性磁場ＨＫは形状異方性や固有異方性等の因子を含む。また、容易軸方向の活性化磁場（便宜上ＨＥで示す）は全異方性磁場ＨＫから差し引くか異方性磁場ＨＫに加えるかである。容易軸活性がスイッチセル１０の方向のときはＨＥはＨＫから差し引かれる。従って、セル１０の通常のスイッチング工程では、容易軸方向の通電はセル１０（具体的には層１２）の強磁性共振周波数を減ずる。この現象は「共振周波数」や「対応共振周波数」という言葉に含まれ、どちらかは通常の動作の際のセルの共振周波数として定義される。
【００１６】
更に、図３を参照して、図１の自由磁気層１２の共振の品質係数、Ｑｂを図示する。ここで、品質係数は、直流の振動の振幅に対する与えられた周波数での振幅の比である。第１のピーク２３は磁気層１２の共振周波数を示し、第２のピーク２４は、容易軸（書き込み線２１）に印加された書き込み信号を有する磁気層１２の低下した共振周波数を示す。このグラフから、上述のように、９０エルステッド（Ｏｅ）の全異方性場Ｈｋを有する代表的なビットやセル１０において、ビットやセル１０の強磁性共振は約１.７ＧＨｚであって、品質係数（Ｑｂ）ピークはその共振周波数で鋭くなることが分かる。又、容易軸信号が印加されない近接セルは３ＧＨｚよりも少し小さい共振周波数を有することが分かる。この具体例において、強磁性共振でのＱｂは、ＤＣすなわちゼロ周波数でのＱよりも３〜４倍大きい。共振周波数で逆磁場が印加されると、セル１０の応答は、共振周波数から外れた場合に較べて、約Ｑｂ倍大きくなる。従って、所与のスイッチングや書き込み電流が、共振周波数ではＱｂ倍大きな有効場を発生する。
【００１７】
ここでは、品質係数Ｑの鋭いピークはセル１０に追加の選択性を加え得る。この選択性の追加は、容易軸に印加されたパルスは、アドレスされたセルの強磁性共振を低下させる傾向にあるという事実である。容易軸に供給されたパルスに曝されない何れの隣接セルも、より高い共振周波数を有する。従って、アドレスされたセルの書き込み電流によって影響される隣接セルの強磁性共振は一般により高い周波数である。従って、アドレスされたセルに印加される書き込み電流は、何れの隣接セルも、スイッチング行動をするのに十分な大きさではないであろう。
【００１８】
この共振周波数応答を図４に示す。即ち、エネルギー線はゼロ度で第１の谷になり、９０度でエネルギー障壁を示し、１８０度で第２の谷になる。エネルギーの谷は、ベクトル１７（図１）の二つの安定位置を示し、エネルギー障壁は、一つの安定位置から他の安定位置へスイッチするために必要なエネルギーを示す。第１のボール２７は、困難軸に印加された直流パルスでのベクトル１７を示し、第２のボール２８は、困難軸に印加された共振周波数でのベクトル１７を示す。直流パルスによって駆動されるボール２７が障壁を越えるためには、共振周波数で駆動されるボール２８よりも大きなエネルギーを必要とする。
【００１９】
描かれたエネルギーシステムは、エネルギー障壁のスロープがエネルギー障壁の頂点付近でなだらかになっているので、「軟」システムと呼ばれることもある。エネルギースロープのこの低減のために、対応する共振周波数はこの領域で減少する。従って、困難軸に印加される電流の周波数は、スロープが変化すると最適エネルギーが変化するために変化する。従って、具体例において、セル１０の共振周波数で幾つかの電流サイクルを供給するのが実用的であろう。この多様な周波数信号は、非正弦的或いは非調和の書き込み信号からなる。
【００２０】
この具体的な実施例において、電流のパルス３０（図５に示す）が書き込み線、即ち容易軸に印加される。パルス３０は約３０ナノ秒である。対応共振周波数の複数のサイクル（図６にグラフで示した）からなる書き込み信号３１は、同時に書き込み線２０即ち困難軸に印加される。ここで、この好ましい実施例では、パルス３０と書き込み信号３１とはそれぞれ容易軸と困難軸とに印加されるが、  別の実施例では逆に印加され得る。図７では、書き込み線２０，２１に印加された電流の駆動の下での、自由磁気層１２（図１）の磁気ベクトル１７の動きをグラフで示した。この表現は、９０ＯｅのＨＫと４０ＯｅのＨＥとを有する単一分域粒子中のビット反転のランダウリフシッツ（Ｌａｎｄａｕ  Ｌｉｆｓｈｉｔｚ）シミュレーションから一般化した。
【００２１】
図７の表現の中で、３５，３６，３７の三つのピークは、書き込み線２０に印加した３サイクルの共振周波数を示す。ピーク３５，３６，３７は順次大きくなっているが、これは、印加した各書き込み電流のサイクルが、磁気ベクトル１７をスイッチング方向に少しずつ大きくして、最終的にベクトル１７がエネルギー障壁を越えて反対の安定位置（４０で示される）に入ることを示している。ベクトル１７はスイッチされ、容易軸電流はスイッチングしない方向にいるので、書き込み電流の追加のサイクル（４２で示す）は殆ど有効でない。上記のシミュレーションから計算されたスイッチング場は、困難軸に印加される直流スイッチングパルスは、スイッチングするためには２５Ｏｅの磁場を必要とし、困難軸に印加される約１.７ＧＨｚ（共振周波数）でのスイッチング信号は、スイッチングするためには９Ｏｅの磁場を必要とすることを示している。
【００２２】
層１２は実際には多くの非常に小さなコヒーレント磁気サブユニット（図８に矢印５０で示す）からなり、その中で磁化は均一とみなされる。磁気ベクトル１７は単にサブユニット５０の平均の磁気方位を示している。サブユニット５０については、共振周波数で困難軸に磁場が印加されると、各サブユニット５０はそれに直接印加された磁場に応じて影響を受ける。図８では、均一の磁化モードからなる共振周波数で磁場が印加される。均一磁化モードにおいて、サブユニット５０の磁化方向は層１２の幅方向を横切る、同一方向である。
【００２３】
更に図９において、高い周波数で磁場を印加するので、（高次モード共振を含み、今後は不均一磁化モードと呼ぶ）層１２の幅方向を横切って１つ以上の磁気ノードが発生する。従って、個々のサブユニット５０は別の方向を向く。即ちマグノンが発生する。しかしながら、ベクトル１７は平均の方向を示している。サブユニット５０は異なる動きを示すので、振幅Ｍは減少し、形状の異方性が低下して磁化反転（ベクトル１７のスイッチング）が容易になる。従って具体的な応用において、図１０に示したように、スイッチングパルス５６のエッジでのオーバーシュートスパイクによって高周波の磁場エネルギーをビット１０中に放出することによって、必要なスイッチング場を下げることが可能になる。或いは、図１１に示したように、高周波エネルギーを、高周波やスイッチングパルス５９上に変調された周波数５８として、セル１０に印加してもよいし、図１２に示したように困難軸にバイポーラスパイクとして印加してもよい。書き込み信号３１（図６を参照）は高周波信号でもよいし、高周波信号を含んでいてもよい。
【００２４】
図１２において、本発明による、外側にクラッド層６２が形成された、困難軸書き込み線６０を示した。クラッド層６２は磁気材料で形成され、書き込み線６０によって発生した磁場の殆どすべてを対応するセルに向ける。この構成のより完全な説明とクラッド層の動作とは、米国特許第５，６５９，４９９号の題名「磁気メモリとその方法」に記載されているので、ここに援用する。
【００２５】
磁気クラッド層６２は（ＭｓＨｋ）の平方根に比例する磁気共振も有する。ここでＭｓは飽和磁化で、Ｈｋはクラッド層６２を形成する材料の異方性磁場である。前述のように、異方性磁場Ｈｋは、形状異方性と固有異方性等の因子を含む。例えば、クラッド層６２の厚さを調整することにより、クラッド層６２の共振周波数がセル１０の共振周波数にほぼ等しくなるように異方性磁場Ｈｋを調整し得る。又、共振周波数で困難軸書き込み線６０に電流が印加されると、代表的な強磁性材料で、２から４の品質因子Ｑｃが達成される。従って、クラッド層の磁化回転はＱｃの何倍かになり、クラッド層によって発生する磁場は、共振で動作するとＱｃの何倍かになる。更に、クラッド層６２の共振周波数がセル１０の共振周波数にほぼ等しくなるように調整されると、共振で動作する際の磁場中の全体の効率の増加は、ＱｂＱｃにほぼ比例する。即ち、ほぼ１／ＱｂＱｃの少ない電流で、同じ磁場が印加される。改良されたセルと改良されたクラッド層が個々に使用され、或いは相互に組み合わされて更なる利点が得られる。
【００２６】
新しい、改良されたＭＲＡＭ書き込み装置、および書き込みやプログラミングの方法を開示した。困難軸や容易軸と組み合わせて共振周波数書き込み信号を使用することによって、複雑にせずに、書き込み動作に必要なエネルギー（電流）を減らせる。更に、セルの強磁性共振でクラッド層を使用することによって、印加磁場が増大して、更に必要な書き込み電流を減らせる。又、強磁性共振での鋭い品質係数のため、アレー中のセルの選択性が増し、アドレスセル中への書き込み電流によって近隣のセルがスイッチされる可能性が減った。
【００２７】
本発明の具体的な実施例について述べたが、同業者にとっては更なる改変や改良は可能である。従って、本発明はここで示した特定の形式には限定されず、添付の請求項は、本発明の精神や範囲から逸脱しないすべての改変をカバーする。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明によるＭＴＪメモリセルの簡略化した断面図。
【図２】磁気ベクトルの動きを概略的に図示した、図１の自由磁気層の上部面の簡略図。
【図３】図１の自由磁気層の共振の品質係数Ｑを示すグラフ。
【図４】図１の自由磁気層の磁気ベクトルの動きのシミュレーション図。
【図５】容易軸に印加された書き込みパルスを示す図。
【図６】困難軸に印加された、対応共振周波数を含む、書き込み信号を示す図。
【図７】図５、図６に示したパルスと信号による、図１の自由磁気層の磁気ベクトルの動きのシミュレーション図。
【図８】プライムモードやゼロモードを含む共振周波数信号が印加された時の均一磁化を示す、図１の自由磁気層の上部面の簡略図。
【図９】より高次のモードを含む共振周波数信号が印加された時の不均一磁化を示す、図１の自由磁気層の上部面の簡略図。
【図１０】より高次のモードを含む共振周波数信号を含む書き込み信号を示す図。
【図１１】より高次のモードを含む共振周波数信号を含む書き込み信号を示す別の図。
【図１２】より高次のモードを含む共振周波数信号を含む書き込み信号を示す別の図。
【図１３】本発明によるクラッド層を有する困難軸書き込み線の図。
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図１０】
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【図１１】
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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）】
2004526270.tif 000037
【国際調査報告】
2004526270.tif 000038
2004526270.tif 000039
2004526270.tif 000040