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、第1の高温しきい値では固定され、第1の低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、第2の高温しきい値では固定され、第1の低温しきい値では自由に整列可能な磁化を有する第2の硬強磁性層とをさらに備え、前記軟強磁性層が前記第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マルチレベル磁気素子。前記第1の反強磁性層の第1の高温しきい値が、前記第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請求項1に記載の磁気素子。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。前記第1の反強磁性層の第1の所定の高温しきい値が、前記第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請求項1に記載の磁気素子。前記第1の硬強磁性層と前記第2の硬強磁性層が、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。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、第1の高温しきい値では固定され、第1の低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、前記軟強磁性層と前記第1の硬強磁性層の間にある第1のトンネル障壁層と、第2の高温しきい値では固定され、第1の低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、第2のトンネル障壁層とを備え、前記軟強磁性層が前記第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、前記磁気素子を低温しきい値に冷却するステップとを有する方法。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請求項6に記載の方法。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7に記載の方法。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7に記載の方法。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、第1の高温しきい値では固定され、第1の低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、前記軟強磁性層と前記第1の硬強磁性層の間にある第1のトンネル障壁層と、第2の高温しきい値では固定され、第1の低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、第2のトンネル障壁層とを備え、前記軟強磁性層が前記第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方法。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。より詳細には、状態レベル状態1図2a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Rmax1Rmax2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Rmin1Rmin2を生み出す。状態レベル状態2および状態3図2b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Rmax1Rmin2およびRmin1Rmax2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Rmax1Rmin2およびRmin1Rmax2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。状態レベル状態4図2d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Rmin1Rmin2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Rmax1Rmax2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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。いくつかの実施形態による磁気素子2の構成は、従来のTASMRAM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。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。