(57)【要約】【課題】  本発明は自己参照型磁気ランダムアクセスメモリベースの三値連想メモリ（ＭＲＡＭベースＴＣＡＭ）セルに関する。【解決手段】  本ＭＲＡＭベースＴＣＡＭセルは、第一と第二の磁気トンネル接合部と、第一と第二の磁気トンネル接合部に加熱電流を流すように構成された導電性の第一と第二のストラップ部と、第一と第二の磁気トンネル接合部を電気的に直列に接続する導線と、第一の磁気トンネル接合部に第一の書込データを選択的に書き込む第一の界磁電流を流すための第一の電流線と、ＭＲＡＭベースＴＣＡＭセルに三つの異なるセル論理状態を書き込むことができるように、第二の磁気トンネル接合部に第二の書込データを選択的に書き込む書込電流を流すための第二の電流線とを有する。【選択図】  図１
2013164893.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自己参照型磁気ランダムアクセスメモリベースの三値連想メモリ（ＭＲＡＭベースＴＣＡＭ）セルであって、
各磁気トンネル接合部が自由に変更可能な検索磁化を有する検索層と、磁気トンネル接合部が高い方の温度閾値に有る時に第一の安定方向から第二の安定方向に切り換えることが可能な記憶磁化を有する記憶層と、これらの検索層と記憶層の間のトンネル障壁層とから成る第一と第二の磁気トンネル接合部と、
第一の磁気トンネル接合部の一端と電気的に接続された導電性の第一のストラップ部と、
第二の磁気トンネル接合部の一端と電気的に接続された導電性の第二のストラップ部と、
二つの磁気トンネル接合部が直列に接続されるように、第一と第二の磁気トンネル接合部の他端と電気的に接続された導線と、
第一の磁気トンネル接合部に第一の書込データを書き込むための第一の磁界を発生させる第一の界磁電流を流すための第一の電流線と、
このＭＲＡＭベースＴＣＡＭセルに三つの異なるセル論理状態を書き込むことができるように、第一の電流線に第一の界磁電流を流すことと独立して、第一の書込データの書き込みに応じて選択的に、第二の磁気トンネル接合部に第二の書込データを書き込むための書込電流を流すための第二の電流線と、
を備えたＭＲＡＭベースＴＣＡＭセル。
【請求項２】
当該の書込電流が第二の磁界を発生させる第二の界磁電流から構成される請求項１に記載のＭＲＡＭベースＴＣＡＭセル。
【請求項３】
当該の書込電流が、更に、加熱電流から構成され、このセルは、二つの磁気トンネル接合部を同時に高い方の温度閾値に加熱できるように、導線、第一のストラップ部及び第二のストラップ部を介して二つの磁気トンネル接合部に加熱電流を流すように構成されている請求項２に記載のＭＲＡＭベースＴＣＡＭセル。
【請求項４】
当該の書込電流が加熱電流から構成され、導線の一部と第二の電流線を介して二つの磁気トンネル接合部の各々に選択的に加熱電流を流して、二つの磁気トンネル接合部の各々を選択的に加熱できるように、第二の電流線が導線と電気的に接続されている請求項１に記載のＭＲＡＭベースＴＣＡＭセル。
【請求項５】
複数のＭＲＡＭベースＴＣＡＭセルから成る磁気メモリ素子であって、各ＭＲＡＭベースＴＣＡＭセルは、
各磁気トンネル接合部が自由に変更可能な検索磁化を有する検索層と、磁気トンネル接合部が高い方の温度閾値に有る時に第一の安定方向から第二の安定方向に切り換えることが可能な記憶磁化を有する記憶層と、これらの検索層と記憶層の間のトンネル障壁層とから成る第一と第二の磁気トンネル接合部と、
第一の磁気トンネル接合部の一端と電気的に接続された導電性の第一のストラップ部と、
第二の磁気トンネル接合部の一端と電気的に接続された導電性の第二のストラップ部と、
二つの磁気トンネル接合部が直列に接続されるように、第一と第二の磁気トンネル接合部の他端と電気的に接続された導線と、
第一の磁気トンネル接合部に第一の書込データを書き込むための第一の磁界を発生させる第一の界磁電流を流すための第一の電流線と、
このＭＲＡＭベースＴＣＡＭセルに三つの異なるセル論理状態を書き込むことができるように、第一の電流線に第一の界磁電流を流すことと独立して、第一の書込データの書き込みに応じて選択的に、第二の磁気トンネル接合部に第二の書込データを書き込むための書込電流を流すための第二の電流線と、
を備えている磁気メモリ素子。
【請求項６】
ＭＲＡＭベースＴＣＡＭセルへの書込方法であって、このＭＲＡＭベースＴＣＡＭセルは、
各磁気トンネル接合部が自由に変更可能な検索磁化を有する検索層と、磁気トンネル接合部が高い方の温度閾値に有る時に第一の安定方向から第二の安定方向に切り換えることが可能な記憶磁化を有する記憶層と、これらの検索層と記憶層の間のトンネル障壁層とから成る第一と第二の磁気トンネル接合部と、
第一の磁気トンネル接合部の一端と電気的に接続された導電性の第一のストラップ部と、
第二の磁気トンネル接合部の一端と電気的に接続された導電性の第二のストラップ部と、
二つの磁気トンネル接合部が直列に接続されるように、第一と第二の磁気トンネル接合部の他端と電気的に接続された導線と、
第一の磁気トンネル接合部に第一の書込データを書き込むための第一の磁界を発生させる第一の界磁電流を流すための第一の電流線と、
このＭＲＡＭベースＴＣＡＭセルに三つの異なるセル論理状態を書き込むことができるように、第一の電流線に第一の界磁電流を流すことと独立して、第一の書込データの書き込みに応じて選択的に、第二の磁気トンネル接合部に第二の書込データを書き込むための書込電流を流すための第二の電流線と、
を備えており、
この方法が、
このＭＲＡＭベースＴＣＡＭセルに一つのセル論理状態を書き込むために、
第一の磁気トンネル接合部に第一の書込データを選択的に書き込むとともに、第二の磁気トンネル接合部に第二の書込データを選択的に書き込む工程、
を有する方法。
【請求項７】
当該の書込電流が第二の磁界を発生させる第二の界磁電流から構成され、
当該の第一と第二の磁気トンネル接合部にそれぞれ第一と第二の書込データを選択的に書き込む工程が、
第一と第二の磁気トンネル接合部を高い方の温度閾値に加熱する工程と、
第一の極性の第一の界磁電流を第一の電流線に流して、その第一の極性に応じて第一の磁気トンネル接合部の記憶磁化を切り換えるとともに、第二の極性の第二の界磁電流を第二の電流線に流して、その第二の極性に応じて第二の磁気トンネル接合部の記憶磁化を切り換える工程と、
から構成される請求項６に記載の方法。
【請求項８】
当該の書込電流が加熱電流から構成され、当該の第二の電流線が導線と電気的に接続されており、
当該の第一と第二の磁気トンネル接合部にそれぞれ第一と第二の書込データを選択的に書き込む工程が、
第一の磁気トンネル接合部を高い方の温度閾値に選択的に加熱する工程と、
第一の極性の第一の界磁電流を第一の電流線に流して、その第一の極性に応じて第一の磁気トンネル接合部の記憶磁化を切り換える工程と、
第二の磁気トンネル接合部を高い方の温度閾値に選択的に加熱する工程と、
第二の極性の第二の界磁電流を第一の電流線に流して、その第二の極性に応じて第二の磁気トンネル接合部の記憶磁化を切り換える工程と、
から構成される請求項６に記載の方法。
【請求項９】
ＭＲＡＭベースＴＣＡＭセルに高い方のセル論理状態「１」又は低い方のセル論理状態「０」を書き込むために、第一の極性が第二の極性と同じであるか、或いはＭＲＡＭベースＴＣＡＭセルにドントケアのセル論理状態「Ｘ」を書き込むために、第一の極性が第二の極性と逆である請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
ＭＲＡＭベースＴＣＡＭセルの検索方法であって、このＭＲＡＭベースＴＣＡＭセルは、
各磁気トンネル接合部が自由に変更可能な検索磁化を有する検索層と、磁気トンネル接合部が高い方の温度閾値に有る時に第一の安定方向から第二の安定方向に切り換えることが可能な記憶磁化を有する記憶層と、これらの検索層と記憶層の間のトンネル障壁層とから成る第一と第二の磁気トンネル接合部と、
第一の磁気トンネル接合部の一端と電気的に接続された導電性の第一のストラップ部と、
第二の磁気トンネル接合部の一端と電気的に接続された導電性の第二のストラップ部と、
二つの磁気トンネル接合部が直列に接続されるように、第一と第二の磁気トンネル接合部の他端と電気的に接続された導線と、
第一の磁気トンネル接合部に第一の書込データを書き込むための第一の磁界を発生させる第一の界磁電流を流すための第一の電流線と、
このＭＲＡＭベースＴＣＡＭセルに三つの異なるセル論理状態を書き込むことができるように、第一の電流線に第一の界磁電流を流すことと独立して、第一の書込データの書き込みに応じて選択的に、二の磁気トンネル接合部に第二の書込データを第書き込むための書込電流を流すための第二の電流線と、
を備えており、
この方法が、
第一と第二の磁気トンネル接合部の検索磁化を第一の検索方向に向ける工程と、
第一のセル抵抗を測定する工程と、
第一と第二の磁気トンネル接合部の検索磁化を第二の検索方向に向ける工程と、
第二のセル抵抗を測定する工程と、
第一と第二のセル抵抗の間の差分によってセル論理状態を決定する工程と、
を有する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高速での書込及び検索オペレーションの実行とＭＲＡＭベースＴＣＡＭへの三つまでの異なるセル論理状態の書き込みとを可能とする、自己参照型磁気ランダムアクセスメモリベースの三値連想メモリ（ＭＲＡＭベースＴＣＡＭ）セルに関する。また、本発明は、そのようなセルへの書込及び検索方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
連想メモリ（ＣＡＭ）は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）技術の発展形態である。アドレスに基づきワードにアクセスするＲＡＭと異なり、ＣＡＭは、コンテンツに基づきワードにアクセスする。ＣＡＭは、従来のＲＡＭと同様の形態でデータを記憶している。しかし、ＣＡＭの「読み出し」は、突き合わせる入力データを提供した後、それと一致するデータのアドレスを出力できるように、一致するデータが有るかＣＡＭを検索している。ＣＡＭは、ユーザがデータワードを提供して、ＣＡＭが一つのクロックサイクルでメモリ全体を検索して、データワードがその中の何処に記憶されているのかを発見するように設計されている。データワードが発見された場合、ＣＡＭは、そのワードを発見した一つ以上の記憶アドレスのリストを返す。ＣＡＭは、デバイスの始動時に事前にロードしておき、デバイスの動作中に書き換えることができる。
【０００３】
メモリ全体を速く検索するために、ＣＡＭは、メモリ行毎に別個の一致論理を使用している。ユーザから検索キーを与えられると、各検索キービットが一つの列の全ての一致論理セルに対して同時に開示される。次に、各行の一致論理セルは、与えられた検索キーと連想メモリ行に記憶されたキーとの間でビット単位の比較を実施する。その比較結果は、二進値（例えば、一致は１、不一致は０）に圧縮されて、優先エンコーダに提供され、そこで、最終的な検索結果が生成される。全てのメモリ行に関する比較が並列的に実施されるので、ＣＡＭは、大きな帯域幅と検索時間が一定であるとの性能を達成している。
【０００４】
ＣＡＭ、特に、三値連想メモリ（ＴＣＡＭ）は、多くの場合ネットワーク機器にも使用されている。それらは、通常のメモリと同様に読み出しと書き込みを行なっているが、更に、メモリ全体内で一致するデータのインデックスを発見する検索も行なっている。ＴＣＡＭは、特に、１と０の両方に一致するワイルドカードビットを備えることができる。これらのワイルドカードは、（検索する幾つかのビットが「ドントケア」であることを表す）メモリの両方のアクセスオペレーションに使用するか、或いは（データの幾つかのビットを一致の決定に使用すべきでないことを表す）データ自体と共に記憶することができる。マスクビットを有効にした（例えば、論理値０に設定した）場合、三値ＣＡＭセルは、有効にマスクされた三値ＣＡＭセルで実施された全ての比較オペレーション結果がセル一致状態となることを意味する「ドントケア」値（Ｘ）を記憶するセルとして扱われる。従って、有効マスクビットと論理１のデータビットを記憶している三値ＣＡＭセルに論理０のデータビットを適用すると、比較オペレーションはセル一致状態を示すこととなる。有効マスクビットと論理０のデータビットを記憶している三値ＣＡＭセルに論理１のデータビットを適用した場合も、セル一致状態が示される。そのため、ＴＣＡＭは、部分一致を実行できる。ＴＣＡＭが完全な並列検索を実行することによって、ルーティングテーブルの検索などの多くの複雑なオペレーションの実行が容易となる。ＴＣＡＭはメモリ内の全てのロケーションを一度に検索するので、ＴＣＡＭ内の構成要素の配列の重要度が弱まり、多くの場合、インデックス構造を大きくすることを完全に回避することができる。このような並列検索は、（ＩＰ検索などの）幾つかのアプリケーションの要件を直接実現して、より多くの検索方式の構成ブロックとして機能することができる。ＴＣＡＭは、パケット分類、アクセスリスト制御、侵入検知用パターン一致などのそれ以外の高速ネットワークアプリケーションでも使用されている。ＴＣＡＭは、ネットワークプロセッサと共に、パケット分類やルーティング検索などの幾つかのアプリケーションにおいて、そのネットワークプロセッサを補佐するコプロセッサとしても使用されている。
【０００５】
スタティックランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）用ＴＣＡＭセルの典型的な実現形態は、１０〜１２個のトランジスタを組み合わせた、二つのＳＲＡＭセルを備えた三値メモリから構成される。それは、基本的に四つのパストランジスタを更に使用したＸＮＯＲゲートである比較論理部も備えている。そのため、１４〜１６個のトランジスタから成る非常に大きなセルサイズとなり、従って、高価な素子となっている。
【０００６】
単純な記憶セルを有するＲＡＭチップと異なり、完全並列ＴＣＡＭの個々のメモリビットは、それぞれ記憶しているデータビットと入力データビットの間の一致を検出するための固有の連想比較回路を有する。従って、ＴＣＡＭチップの記憶容量は、通常のメモリチップよりも著しく小さい。更に、各セルからのデータワードの一致出力を組み合わせて、完全なデータワード一致信号を生成することができる。追加の連想回路は、更に、ＴＣＡＭチップの物理的なサイズを大きくする。更に、今日実現されている（ＳＲＡＭ素子を用いた）ＣＡＭとＴＣＡＭは、本質的に、電源供給を停止された場合にデータが失われることを意味する揮発性である。その結果、全ての比較回路は、クロックサイクル毎に動作状態となる必要が有り、そのため電力消費量が大きい。価格が高く、電力消費量が大きく、本質的に揮発性であるため、ＴＣＡＭは、より低価格な方法では検索速度を実現できない特殊な用途にのみ使用されている。
【０００７】
本出願人の特許文献１は、磁気トンネル接合ベースのメモリセルを備えたランダムアクセスＣＡＭを提案している。そこでは、磁気トンネル接合部は、第一と第二の磁気層を有し、データ記憶部及びデータ読出部として動作することができる。各セル内には、一つ以上の電流線における電流パルスを用いて磁気トンネル接合部の第一の磁気層の磁化の向きを設定することによって、登録するデータを書き込んでいる。登録されたデータと比較するための入力データは、同様に電流線を介した第二の磁気層の磁化の向きによって設定できる。データの読み出しは、これらの磁気層の相対的な磁化の向きに依存するセル抵抗を測定することによって実施されている。データ記憶部、データ入力部、及びデータ読出部は、一つのセルに統合されているので、メモリは、高集積度と不揮発性を併せて持っている。
【０００８】
新興のメモリ技術と高速検索強化アプリケーションは、大きなセル容量のために検索速度が遅くなることが欠点である、大きなワードサイズの三値連想メモリを必要としている。
【０００９】
特許文献２は、二つの磁気トンネル接合部を備えた磁気ランダムアクセスメモリベースの三値連想メモリ（ＭＲＡＭベースＴＣＡＭ）セルを開示しており、別の読出線が各磁気トンネル接合部と接続されており、第二のフィールド線とそのフィールド線に対して垂直な別のフィールド線が二つの磁気トンネル接合部に対して共通に設けられている。このＭＲＡＭベースＴＣＡＭセルは、高い方又は低い方の論理状態、並びにマスクされた論理状態によりデータを記憶することができる。
【００１０】
しかし、この開示されたＭＲＡＭベースＴＣＡＭは、三つ以上の抵抗状態を確実に記憶することができない。更に、この二つの直交するフィールド線を使用しているＭＲＡＭベースＴＣＡＭセルのサイズは容易にコンパクトにできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】国際特許公開第２００８／０４０５６１号明細書
【特許文献２】欧州特許第２２０４８１４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の課題は、自己参照型磁気ランダムアクセスメモリベースの三値連想メモリ（ＭＲＡＭベースＴＣＡＭ）セルを提供することである。
【００１３】
更に、本発明の課題は、複数のＭＲＡＭベースＴＣＡＭセルから成る磁気メモリ素子を提供することである。
【００１４】
また、本発明の課題は、ＭＲＡＭベースＴＣＡＭセルの書込方法を提供することである。
【００１５】
更に、本発明の課題は、ＭＲＡＭベースＴＣＡＭセルの検索方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明によるＭＲＡＭベースＴＣＡＭセルは、各磁気トンネル接合部が自由に変更可能な検索磁化を有する検索層を備えている、第一の磁気トンネル接合部及び第二の磁気トンネル接合部と、磁気トンネル接合部が高い方の温度閾値に有る時に第一の安定方向から第二の安定方向に切り換えることが可能な記憶磁化を有する記憶層と、これらの検索層と記憶層の間のトンネル障壁層と、第一の磁気トンネル接合部の一端と電気的に接続された導電性の第一のストラップ部と、第二の磁気トンネル接合部の一端と電気的に接続された導電性の第二のストラップ部と、二つの磁気トンネル接合部が直列に接続されるように、第一と第二の磁気トンネル接合部の他端と電気的に接続された導線と、第一の磁気トンネル接合部に第一の書込データを書き込むための第一の磁界を発生させる第一の界磁電流を流すように構成された第一の電流線と、このＭＲＡＭベースＴＣＡＭセルに三つの異なるセル論理状態を書き込むことができるように、第一の電流線に第一の界磁電流を流すことと独立して、第一の書込データの書き込みに応じて選択的に、第二の磁気トンネル接合部に第二の書込データを書き込むための書込電流を流すように構成された第二の電流線とを備えている。
【００１７】
一つの実施形態では、書込電流は、第二の磁界を発生させる第二の界磁電流から構成される。
【００１８】
別の実施形態では、書込電流は、更に、加熱電流から構成され、セルは、導線、第一のストラップ部及び第二のストラップ部を介して二つの磁気トンネル接合部に加熱電流を流して、二つの磁気トンネル接合部を同時に高い方の温度閾値に加熱できるように構成されている。
【００１９】
更に別の実施形態では、書込電流は、加熱電流から構成され、第二の電流線は、導線の一部と第二の電流線を介して二つの磁気トンネル接合部の各々に加熱電流を選択的に流して、二つの磁気トンネル接合部の各々を選択的に加熱できるように、導線と電気的に接続されている。
【００２０】
更に別の実施形態では、書込電流は、更に、第二の界磁電流から構成され、セルは、第一の電流線に第二の界磁電流を流すように構成されている。
【００２１】
また、本発明のＭＲＡＭベースＴＣＡＭセルの書込方法は、ＭＲＡＭベースＴＣＡＭセルにセル論理状態を書き込むために、第一の磁気トンネル接合部に第一の書込データを選択的に書き込むとともに、第二の磁気トンネル接合部に第二の書込データを選択的に書き込む工程とを有する。
【００２２】
一つの実施形態では、前記の書込電流は、第二の磁界を発生させる第二の界磁電流から構成され、前記の第一と第二の磁気トンネル接合部にそれぞれ第一と第二の書込データを選択的に書き込む工程は、
第一と第二の磁気トンネル接合部を高い方の温度閾値に加熱する工程と、
第一の電流線に第一の極性の第一の界磁電流を流して、その第一の極性に応じて第一の磁気トンネル接合部の記憶磁化を切り換えるとともに、第二の電流線に第二の極性の第二の界磁電流を流して、その第二の極性に応じて第二の磁気トンネル接合部の記憶磁化を切り換える工程と、
から構成される。
【００２３】
別の実施形態では、前記の書込電流は、更に、加熱電流から構成され、前記の第一と第二の磁気トンネル接合部を加熱する工程は、導線、第一のストラップ部及び第二のストラップ部を介して二つの磁気トンネル接合部に加熱電流を流す工程から構成される。
【００２４】
更に別の実施形態では、前記の書込電流は、加熱電流から構成され、前記の第二の電流線は、導線と電気的に接続されており、前記の第一と第二の磁気トンネル接合部にそれぞれ第一と第二の書込データを選択的に書き込む工程は、
第一の磁気トンネル接合部を高い方の温度閾値に選択的に加熱する工程と、
第一の電流線に第一の極性の第一の界磁電流を流して、その第一の極性に応じて第一の磁気トンネル接合部の記憶磁化を切り換える工程と、
第二の磁気トンネル接合部を高い方の温度閾値に選択的に加熱する工程と、
第一の電流線に第二の極性の第二の界磁電流を流して、その第二の極性に応じて第二の磁気トンネル接合部の記憶磁化を切り換える工程と、
から構成される。
【００２５】
更に別の実施形態では、前記の第一の磁気トンネル接合部を選択的に加熱する工程は、第二の電流線、導線の第一の部分、及び第一のストラップ部を介して第一の磁気トンネル接合部に加熱電流を流す工程から構成され、前記の第二の磁気トンネル接合部を選択的に加熱する工程は、第二の電流線、導線の第二の部分、及び第二のストラップ部を介して第二の磁気トンネル接合部に加熱電流を流す工程から構成される。
【００２６】
更に別の実施形態では、ＭＲＡＭベースＴＣＡＭセルに高い方のセル論理状態「１」又は低い方のセル論理状態「０」を書き込むために、第一の極性が第二の極性と同じであるか、或いはＭＲＡＭベースＴＣＡＭセルに「ドントケア」のセル論理状態「Ｘ」を書き込むために、第一の極性が第二の極性と逆である。
【００２７】
本発明によるＭＲＡＭベースＴＣＡＭセルの検索方法は、
第一と第二の磁気トンネル接合部の検索磁化を第一の検索方向に向ける工程と、
第一のセル抵抗を測定する工程と、
第一と第二の磁気トンネル接合部の検索磁化を第二の検索方向に向ける工程と、
第二のセル抵抗を測定する工程と、
第一と第二のセル抵抗の間の差分によってセル論理状態を決定する工程と、
から構成される。
【００２８】
一つの実施形態では、前記の検索磁化を第一の検索方向に向ける工程は、第一及び／又は第二の電流線に第一の極性の検索電流を流す工程から構成され、前記の検索磁化を第二の検索方向に向ける工程は、第一及び／又は第二の電流線に、第一の極性と逆の第二の極性の検索電流を流す工程から構成される。
【００２９】
別の実施形態では、前記の第一と第二のセル抵抗を測定する工程は、導線と第一及び第二のストラップ部を介して第一と第二の磁気トンネル接合部に検索電流を流す工程から構成される。
【００３０】
ここに開示したＭＲＡＭベースＴＣＡＭセルによって、書込及び検索オペレーションを高速に実行できるとともに、ＭＲＡＭベースＴＣＡＭセルに三つの異なるセル論理状態を書き込むことが可能である。
【００３１】
本発明は、以下の図面に図示した実施例の記述によって、より良く理解される。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】一つの実施形態による第一と第二の磁気トンネル接合部を備えたＭＲＡＭベースＴＣＡＭセルの構成図
【図２】別の実施形態による第一と第二の磁気トンネル接合部を備えたＭＲＡＭベースＴＣＡＭセルの構成図
【図３】第一と第二の磁気トンネル接合部の記憶磁化と検索磁化の異なる形態図
【発明を実施するための形態】
【００３３】
図１に図示した一つの実施形態では、自己参照型磁気ランダムアクセスメモリベースの三値連想メモリ（ＭＲＡＭベースＴＣＡＭ）セル１は、第一の磁気トンネル接合部２、第二の磁気トンネル接合部２’、第一の磁気トンネル接合部２の一端と電気的に接続された導電性の第一のストラップ部７、並びに第二の磁気トンネル接合部２’の一端と電気的に接続された導電性の第二のストラップ部７’を備えており、第一と第二のストラップ部７，７’の各々は、それぞれ二つの磁気トンネル接合部２，２’の一方の側において横方向に延びている。ＭＲＡＭベースＴＣＡＭセル１は、更に、二つの磁気トンネル接合部２，２’が直列に接続されるように、第一と第二の磁気トンネル接合部２，２’の各々の他端と接続された導線３を備えている。各磁気トンネル接合部２，２’は、自由に変更可能な検索磁化２１０を有する検索層２１と、第一の安定方向から第二の安定方向に切り換えることが可能な記憶磁化２３０を有する記憶層２３と、これらの検索層２１と記憶層２３の間のトンネル障壁層２２とを備えることができる。ＭＲＡＭベースＴＣＡＭセル１は、更に、第一のストラップ部７の一端と電気的に接続された第一の選択トランジスタ８を備えており、第一のストラップ部７の他端は第一の磁気トンネル接合部２と接続されている。第二の選択トランジスタ８’は、第二のストラップ部７’の一端と接続されており、第二のストラップ部７’の他端は第二の磁気トンネル接合部２’と接続されている。この構成では、書込電流又は加熱電流３１は、第一と第二のストラップ部７，７’を介して二つの磁気トンネル接合部２，２’と導線３に流れることができる。
【００３４】
ＭＲＡＭベースＴＣＡＭセル１は、更に、第一の磁気トンネル接合部２に隣接した第一の電流線４と、第二の磁気トンネル接合部２’に隣接した第二の電流線４’とを備えている。第一の電流線４は、第一の磁界４２を発生させるための第一の界磁電流４１を流すように構成されている。書込電流は、更に、第二の界磁電流４１’から構成され、第二の電流線４’は、第一の界磁電流４１と独立して、第二の磁界４２’を発生させるための第二の界磁電流４１’を流すように構成されている。図１の例では、第一の電流線４は、第二の電流線４’とほぼ平行である。
【００３５】
［書込オペレーション］
一つの実施形態では、ＭＲＡＭベースＴＣＡＭセル１の書込オペレーションは、第一の磁気トンネル接合部２に第一の書込データを選択的に書き込む工程と、第二の磁気トンネル接合部２’に第二の書込データを選択的に書き込む工程とから構成される。この第一と第二の書込データを書き込む工程は、第一と第二の磁気トンネル接合部２，２’を高い方の温度閾値に加熱する工程と、第一の磁気トンネル接合部２の記憶磁化２３０を第一の書込方向に切り換えるとともに、第二の磁気トンネル接合部２’の記憶磁化２３０を第二の書込方向に切り換える工程と、記憶磁化２３０が書込状態に凍結される低い方の温度閾値に第一と第二の磁気トンネル接合部２，２’を冷却する工程とから構成される。
【００３６】
第一と第二の磁気トンネル接合部２，２’を高い方の温度閾値に加熱する工程は、第一と第二の選択トランジスタ８，８’が導通モードに有る時に、導線３とストラップ部７，７’を介して磁気トンネル接合部２，２’に加熱電流３１を流すことによって実施できる。この場合、第一と第二の磁気トンネル接合部２，２’の記憶層２３は、（図示されていない）反強磁性層と交換結合し、高い方の温度閾値は、そのような交換結合が消滅して、記憶層２３が最早反強磁性層によってピニングされず、自由に調整することが可能となる、反強磁性層の臨界温度以上とすべきである。加熱電流３１が二つの磁気トンネル接合部２，２’に流れるので、両方の磁気トンネル接合部２，２’は同時に高い方の温度閾値に加熱される。
【００３７】
第一の磁気トンネル接合部２の記憶磁化２３０を第一の書込方向に切り換える工程は、第一の電流線４に第一の極性の第一の界磁電流４１を流す工程から構成することができる。第二の磁気トンネル接合部２’の記憶磁化２３０を第二の書込方向に切り換える工程は、第二の電流線４’に第二の極性の第二の界磁電流４１’を流す工程から構成することができる。第一の電流線４に第一の界磁電流４１を流す工程は、第一のフィールド選択トランジスタ９を導通モードに設定することによって実施できる。第一の界磁電流４１と独立して、第二の電流線４’に第二の界磁電流４１’を流す工程は、第二のフィールド選択トランジスタ９’を導通モードに設定することによって実施できる。第一の界磁電流４１の極性は、第二の界磁電流４１’の方向と同じ、或いは逆にすることができる。更に、第一と第二の磁気トンネル接合部２，２’の記憶磁化２３０を切り換える工程は、書込オペレーションを高速に実施できるように同時に実施できる。
【００３８】
［検索オペレーション］
一つの実施形態では、自己参照型検索オペレーションは、第一と第二の磁気トンネル接合部２，２’の検索磁化２１０を第一の検索方向に向ける工程と、第一の検索方向に向けた検索磁化２１０に対して第一と第二の書込データを比較する工程とから構成することができる。検索オペレーションは、更に、第一と第二の磁気トンネル接合部２，２’の検索磁化２１０を第二の検索方向に向ける工程と、第二の検索方向に向けた検索磁化２１０に対して第一と第二の書込データを比較する工程とから構成することができる。検索磁化２１０の方向を調整する工程は、検索磁界５２を発生させる検索電流を第一と第二の電流線４，４’に流す工程で実施できる。検索磁化２１０は、検索電流５１の極性に応じて第一と第二の検索方向に向けられる。検索磁化２１０と記憶磁化２３０の相対的な向きは、第一の磁気トンネル接合部２の第一の接合抵抗Ｒｍｔｊ１と第二の磁気トンネル接合部２’の第二の接合抵抗Ｒｍｔｊ２を決定する。それに代わって、検索電流５１を第一の電流線４だけに流すか、或いは第二の電流線４’にだけ流すこともできる。
【００３９】
第一又は第二の検索方向に向けた検索磁化２１０に対して第一と第二の書込データを比較する工程は、それぞれ第一と第二のセル抵抗ＲＣ１，ＲＣ２を測定することによって実施できる。それは、検索磁化２１０の方向を調整した時に導線３とストラップ部７，７’を介して検索電流３２を第一と第二の磁気トンネル接合部２，２’に流すことによって実施できる。第一のセル抵抗ＲＣ１は、検索磁化２１０を第一の検索方向に向けた場合に第一の接合抵抗Ｒｍｔｊ１が第二の接合抵抗Ｒｍｔｊ２と直列となる形態に対応する。第二のセル抵抗ＲＣ２は、検索磁化２１０を第二の検索方向に向けた場合に第一の接合抵抗Ｒｍｔｊ１が第二の接合抵抗Ｒｍｔｊ２と直列となる形態に対応する。検索電流５１を交番させて、その交番する検索電流５１の極性の変化に応じて、検索磁化２１０を第一と第二の検索方向に順次向けることができる。
【００４０】
図３ａ〜３ｄは、第一と第二の磁気トンネル接合部２，２’に関する記憶磁化２３０と検索磁化２１０の異なる形態を図示している。これらの図では、第一と第二の磁気トンネル接合部２，２’の検索磁化２１０は、第一の検索方向、即ち、図面の右方向を向いている。より詳しくは、図３ａでは、第一と第二の書込データの両方は、状態「０」に対応する、即ち、第一と第二の磁気トンネル接合部２，２’の両方の記憶磁化２３０が検索磁化２１０に対してほぼ平行の方向を向いている。従って、測定した第一と第二の接合抵抗Ｒｍｔｊ１，Ｒｍｔｊ２は、最小（Ｒｍｉｎ）となり、第一のセル抵抗ＲＣ１も最小（ＲＣ１＝２Ｒｍｉｎ）となる。図３ｂでは、第一の書込データが状態「０」に対応し、第二の書込データが状態「１」に対応する。この場合、第一と第二の磁気トンネル接合部２，２’の記憶磁化２３０は、それぞれ検索磁化２１０に対してほぼ平行と逆平行の方向を向いている。測定した第一の接合抵抗Ｒｍｔｊ１が最小（Ｒｍｉｎ）となり、測定した第二の接合抵抗Ｒｍｔｊ２は最大（Ｒｍａｘ）となり、第一のセル抵抗ＲＣ１は中間値（Ｒｍｉｎ＋Ｒｍａｘ）となる。図３ｃでは、第一の書込データが状態「１」に対応し、第二の書込データが状態「０」に対応する、即ち、第一と第二の磁気トンネル接合部２，２’の記憶磁化２３０は、それぞれ検索磁化２１０に対してほぼ逆平行と平行の方向を向いている。測定した第一の接合抵抗Ｒｍｔｊ１が最大（Ｒｍａｘ）となり、測定した第二の接合抵抗Ｒｍｔｊ２は最小（Ｒｍｉｎ）となり、第一のセル抵抗ＲＣ１は又もや中間値（Ｒｍｉｎ＋Ｒｍａｘ）となる。図３ｄでは、第一と第二の書込データの両方は、状態「１」に対応する、即ち、第一と第二の磁気トンネル接合部２，２’の両方の記憶磁化２３０が検索磁化２１０に対してほぼ逆平行の方向を向いている。測定した第一と第二の接合抵抗Ｒｍｔｊ１，Ｒｍｔｊ２は、最大（Ｒｍａｘ）となり、第一のセル抵抗ＲＣ１も最大（ＲＣ１＝２Ｒｍａｘ）となる。表１は、第一と第二の接合抵抗Ｒｍｔｊ１，Ｒｍｔｊ２及びそれに対応する第一のセル抵抗ＲＣ１の値を要約している。
【００４１】
【表１】
2013164893.tif 000003
【００４２】
表２は、第一と第二の接合抵抗Ｒｍｔｊ１，Ｒｍｔｊ２及びそれに対応する第一と第二の磁気トンネル接合部２，２’の検索磁化２１０が第一の検索方向と逆の第二の検索方向を向いている場合に計測される第二のセル抵抗ＲＣ２の値を要約している。第一と第二の磁気トンネル接合部２，２’は、図３ａ〜３ｄの通り、同じシーケンスの第一と第二の書込データを書き込まれる。
【００４３】
【表２】
2013164893.tif 000004
【００４４】
検索オペレーションは、更に、第一のセル抵抗ＲＣ１の値を第二のセル抵抗ＲＣ２の値と比較する工程から構成することができる。例えば、第一と第二の書込データが状態「０」に対応する場合、第一のセル抵抗ＲＣ１と第二のセル抵抗ＲＣ２の間の差分ΔＲが負の値となり（ΔＲ＝２Ｒｍｉｎ−２Ｒｍａｘ）、そのため、ＭＲＡＭベースＴＣＡＭセル１のセル論理状態は「０」である。第一と第二の書込データが状態「１」に対応する場合、第一のセル抵抗ＲＣ１と第二のセル抵抗ＲＣ２の間の差分ΔＲが正の値となり（ΔＲ＝２Ｒｍａｘ−２Ｒｍｉｎ）、そのため、ＭＲＡＭベースＴＣＡＭセル１のセル論理状態は「１」である。第一と第二の書込データがそれぞれ状態「０」と「１」或いはそれぞれ状態「１」と「０」に対応する場合、第一のセル抵抗ＲＣ１と第二のセル抵抗ＲＣ２の間の差分ΔＲがほぼゼロとなり（ΔＲ＝０）、ＭＲＡＭベースＴＣＡＭセル１の「ドントケア」のセル論理状態「Ｘ」に対応する。表３は、第一の磁気トンネル接合部２に書き込まれる異なる第一の書込データと第二の磁気トンネル接合部２’に書き込まれる異なる第二の書込データに関して得られる第一のセル抵抗ＲＣ１と第二のセル抵抗ＲＣ２の間の差分ΔＲを要約している。従って、ここで開示したＭＲＡＭベースＴＣＡＭセル１は、三つの異なるセル論理状態を書き込むことが可能である。
【００４５】
【表３】
2013164893.tif 000005
【００４６】
図２に図示した別の実施形態では、ＭＲＡＭベースＴＣＡＭセル１は、導線３と電気的に接続された第二の電流線４’を備えている。図２の例では、第二の電流線４’は、導線３から、第一の電流線４に対してほぼ平行に延びている。この構成では、二つの磁気トンネル接合部２，２’の中の一方を選択的にアドレス指定することができる。より詳しくは、加熱電流３１と検索電流３２を二つの磁気トンネル接合部２，２’の中の一方に選択的に流すことができる。この場合、二つの磁気トンネル接合部２，２’の中の一方に加熱電流３１と検索電流３２を選択的に流す工程は、第二の電流線４’、第二の電流線４’と二つの磁気トンネル接合部２，２’の中の一方の間の導線３の一部、及びそれに対応するストラップ部７，７’を介して電流３１，３２を流す工程から構成される。第二の電流線４’は、第一の電流線４に対してほぼ平行又はほぼ垂直に配置するか、或いは第一の電流線４に対して、それ以外の角度で配置することができる。本実施形態によるＭＲＡＭベースＴＣＡＭセル１は、図１の実施形態で開示したＭＲＡＭベースＴＣＡＭセル１よりも密な構造が得られる。
【００４７】
図２の構成を有するＭＲＡＭベースＴＣＡＭセル１の第二の実施形態は、第一の実施形態よりも密な構造を提案しているが、速度が遅い。検索オペレーションの間、極性が順次変化する検索電流が電流線に流れる。好ましくは、検索電流５１は、交番する電流であり、それに応じて方向を変える検索磁界５２を誘導する。
【００４８】
書込オペレーションの間に図２の構成のＭＲＡＭベースＴＣＡＭセル１にセル論理状態「０」又は「１」を書き込む（即ち、第一と第二の磁気トンネル接合部２，２’の両方にそれぞれ状態「０」又は状態「１」の第一と第二の書込データを書き込む）工程は、導線３とストラップ部７，７’を介して二つの磁気トンネル接合部２，２’に加熱電流３１を流す工程から構成できる。第一と第二の磁気トンネル接合部２，２’の記憶磁化２３０を切り換える工程は、第一の電流線４に第一と第二の界磁電流４１，４１’を流すことによって実施できる。特に、単一の電流線として使用される第一の電流線４に単一の界磁電流を流すことができる。この単一の界磁電流は、二つの磁気トンネル接合部２，２’の記憶磁化２３０を切り換えるのに十分な大きさとすることができる。この場合、第一と第二の書込データを書き込む工程は、第一と第二の磁気トンネル接合部２，２’の両方に対して同時に実施される。
【００４９】
ＭＲＡＭベースＴＣＡＭセル１にセル論理状態「Ｘ」を書き込む（即ち、第一と第二の磁気トンネル接合部２，２’にそれぞれ状態「０」又は状態「１」或いはそれぞれ状態「１」と状態「０」の第一と第二の書込データを書き込む）工程は、
第一の磁気トンネル接合部２に加熱電流３１を選択的に流す工程と、
第一の磁気トンネル接合部２の記憶磁化２３０を切り換えて、状態「０」又は「１」の第一の書込データを書き込む工程と、
第二の磁気トンネル接合部２’に加熱電流３１を選択的に流す工程と、
第二の磁気トンネル接合部２’の記憶磁化２３０を切り換えて、状態「１」又は「０」の第二の書込データを書き込む工程と、
から構成できる。
【００５０】
第一の磁気トンネル接合部２の記憶磁化２３０を切り換える工程は、第一の電流線４に第一の界磁電流４１を流すことによって実施できる。第二の磁気トンネル接合部２’の記憶磁化２３０を切り換える工程も、第一の界磁電流４１の極性と逆の極性の第二の界磁電流４１’を第一の電流線４に流すことによって実施できる。それに代わって、第二の界磁電流４１’を第二の電流線４’に流すこともできる。この場合、第一と第二の書込データを書き込む工程は、第一の磁気トンネル接合部２と第二の磁気トンネル接合部２’に対して順番に実施される。
【００５１】
図２の構成を有するＭＲＡＭベースＴＣＡＭセル１の自己参照型検索オペレーションは、前述した検索オペレーションと同じ工程から構成できる。検索磁化２１０の方向を調整する工程は、検索磁界５２を発生させるために、第一の電流線４に検索電流５１を流すことによって実施できる。
【００５２】
複数のＭＲＡＭベースＴＣＡＭセル１から成るアレーを組み立てることによって、（図示されていない）磁気メモリ素子を構成することができる。そのようなＭＲＡＭベースＴＣＡＭセル１のアレーは、（又もや図示されていない）素子用パッケージ内に配置することができる。
【符号の説明】
【００５３】
１      磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セル
２      第一の磁気トンネル接合部
２’    第二の磁気トンネル接合部
２１    検索層
２１０  読出磁化
２２    トンネル障壁層
２３    記憶層
２３０  記憶磁化
３      導線
３１    加熱電流
３２    検索電流
４      第一の電流線
４’    第二の電流線
４１    第一の界磁電流
４１’  第二の界磁電流
４２    第一の磁界
４２’  第二の磁界
５１    検索電流
５２    検索磁界
７      導電性の第一のストラップ部
７’    導電性の第二のストラップ部
８      第一の選択トランジスタ
８’    第二の選択トランジスタ
９      第一のフィールド選択トランジスタ
９’    第二のフィールド選択トランジスタ
ΔＲ    第一のセル抵抗と第二のセル抵抗の間の差分
ＲＣ１    第一のセル抵抗
ＲＣ２    第二のセル抵抗
Ｒｍｉｎ  最小接合抵抗
Ｒｍａｘ  最大接合抵抗
Ｒｍｔｊ１  第一の接合抵抗
Ｒｍｔｊ２  第二の接合抵抗
【図１】
2013164893.tif 000006
【図２】
2013164893.tif 000007
【図３】
2013164893.tif 000008
【外国語明細書】
2013164893000001.pdf