JP2010263221A - 低書き込み電流を用いる熱支援スピン移動トルク書き込み手順を備えた磁気メモリ - Google Patents

Abstract

【課題】 低書き込み電流を用いる熱支援スピン移動トルク書き込み手順を備えた磁気メモリを提供する。
【解決手段】 高温閾値で調整可能な第１の磁化を有する強磁性記憶層、固定された第２の磁化を有する強磁性基準層、及び強磁性記憶層と基準層との間に配置された絶縁層から形成された磁気トンネル接合部と、前記磁気トンネル接合部に電気的に接続されかつワード線を介して、制御可能な選択トランジスタと、前記磁気トンネル接合部に電気的に接続され、少なくとも書き込み電流を伝達する電流線と、を含む、熱支援切り替え（ＴＡＳ）書き込み手順を備えた磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セルであって、強磁性記憶層の結晶磁気異方性が、強磁性基準層の結晶磁気異方性とほぼ直角であることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セル。ＳＴＴベースＴＡＳ−ＭＲＡＭセルは、熱安定性を実現するのと同時に、低い書き込み電流密度を必要とする。
【選択図】 図４ｂ

Description

本発明は、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）に関し、特に、熱支援切り替え（ＴＡＳ）、低書き込み電流を用いるスピン移動トルク書き込み手順を備え、かつ低電力消費および高書き込み速度を有する磁気トンネル接合（ＭＴＪ）ベースメモリセルに関する。

磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）は、周囲温度において強い磁気抵抗を有する磁気トンネル接合の発見と共に、再び関心の対象となっている。これらのＭＲＡＭは、速度（数ナノ秒の書き込みおよび読み出し期間）、不揮発性、および電離放射線に対する非感受性などの多くの利点を提供する。したがって、それらは、コンデンサの荷電状態に基づいた、より従来的な技術を用いるメモリ（ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ、ＦＬＡＳＨ）にますます取って代わりつつある。

最も単純な実装における従来のＭＲＡＭセル１が、図１の例に示されている。セル１には、磁気トンネル接合部２が含まれるが、この接合部２は、固定磁化を有する基準層２３と、メモリセルの書き込み時に方向を変更できる磁化を有する記憶層２１との間に配置された絶縁層２２から形成される。第１の力線４は、記憶層２１と連通し、第２の電流線５は、第１の電流線４と直角に配置され、基準層２３と連通する。ＭＲＡＭセル１には、ＣＭＯＳ選択トランジスタ３がさらに含まれるが、このトランジスタ３は、磁気トンネル接合部２に電気的に接続され、かつその開閉は、各ＭＲＡＭセル１に個別にアドレスするためにワード線６によって制御される。

異なる保磁力の基準層および記憶層は、典型的には、Ｆｅ、ＣｏもしくはＮｉまたはそれらの合金などの３ｄ金属で作製される。最終的には、非晶質形態および平坦な界面を得るために、ホウ素を層組成物に添加することができる。絶縁層は、典型的には、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）または酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からなる。好ましくは、基準層は、特許文献１に記載されているように、合成反強磁性層を形成するいくつかの層からなる。

書き込み動作中に、トランジスタ３は閉じられ、電流は接合部２を流れない。第１の界磁電流４１が、第１の電流線４を通過して第１の磁界４２を生成し、第２の界磁電流５１が、第２の電流線５を通過して第２の磁界５２を生成する。第１の界磁電流４１および第２の界磁電流５１の強度および同期は、第１の磁界４２および第２の磁界５２それぞれを合わせた影響の下で、２つの活性電流線４、５の交差部に位置する記憶層２１の磁化だけが切り替わり、その結果、データの書き込みができるように、調整される。

読み出し動作中に、トランジスタ３は開かれ、センス電流（図示せず）が、第１の電流線４を介して磁気トンネル接合部２を流れ、磁気トンネル接合部抵抗Ｒを測定できるようにする。基準層２３および記憶層２１のそれぞれの磁化が、逆平行である場合には、接合部抵抗は、ハイ（Ｒ_ｍａｘ）であり、低論理状態「０」に対応する。他方で、それぞれの磁化が平行である場合には、抵抗は、ロー（Ｒ_ｍｉｎ）になり、高論理状態「１」に対応する。セル１の論理状態は、通常、接合部抵抗Ｒを、基準セルまたは基準セルアレイと比較することによって決定されるが、各基準セルは、典型的にはＲ_ｒｅｆ＝（Ｒ_ｍｉｎ＋Ｒ_ｍａｘ）／２の抵抗を有し、この抵抗は、高論理状態「１」と低論理状態「０」との中間の値を備えた低論理状態に対応する。

図１のＭＲＡＭセルが、書き込み動作中に適切に動作することを保証するために、すなわち、記憶層２１の磁化の双安定切り替えを得るために、磁気トンネル接合部２は、好ましくは１．５以上のアスペクト比を備えた異方性形態を有しなければならない。接合部２の異方性形態により、線４および５の一方だけによってアドレスされるアレイにおける他のセル１と比較して、２つの活性電流線４、５の交差部に位置するＭＲＡＭセル１の優れた書き込み選択性が可能になる。実際に、異方性形態を備えた接合部２における記憶層２１の磁化の切り替えは、線４、５によって生成される２つの磁界４２、５２の影響下でのみ可能である。異方性形態を有するＭＲＡＭセル１はまた、書き込まれたデータの優れた熱的および／または時間的安定性を示す。

従来のＭＲＡＭセルの他の例示的な構成が、特許文献２および特許文献３で見られる一方で、特許文献４は、ＭＲＡＭセル構造に基づいたランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）の実装に関連する。

熱支援切り替え（ＴＡＳ）書き込み手順を備えたＭＲＡＭセル構成が、特許文献５の文献に記載され、図２ａおよび２ｂに示されている。図２ａの例において、ＴＡＳ−ＭＲＡＭセル１０は、磁気トンネル接合部２に電気的に接続された電流線７、および強磁性記憶層２１と連通する電流線７の上方に直角に配置された力線８を有することによって、図１に示されたＭＲＡＭセル１と異なる。

図２ｂにより詳細に示された磁気トンネル接合部２は、隣接する強磁性基準層２３に交換バイアスをかける反強磁性基準層２４を含み、反強磁性基準層２４のブロッキング温度Ｔ_ＢＲに対応する温度未満にその磁化を固定する。接合部２にはまた、交換結合する反強磁性記憶層２１ｂが含まれるが、この記憶層２１ｂは、隣接する強磁性記憶層２１の磁化を、反強磁性記憶層２１ｂのブロッキング温度Ｔ_ＢＳに対応する温度未満に固定することができる。典型的には、それぞれ、反強磁性基準層がＮｉＭｎまたはＰｔＭｎベースの合金で作製されている場合には、約４００℃までのブロッキング温度Ｔ_ＢＲを達成することができ、一方で、反強磁性記憶層がＩｒＭｎベースの合金またはＦｅＭｎベースの合金で作製されている場合には、約２００℃〜１５０℃のブロッキング温度Ｔ_ＢＳが達成される。上記で説明したように、磁気トンネル接合部２にはまた、強磁性基準層２３と強磁性記憶層２１との間に配置された絶縁層２２が含まれる。

ＴＡＳ−ＭＲＡＭセル１０の書き込み動作中に、磁気トンネル接合部２の温度を上昇させるために、選択トランジスタ３が開いている場合に、加熱電流パルス３１が、電流線７を介し、磁気トンネル接合部２を通して送られる。数ナノ秒続き、かつ１０^５Ａ／ｃｍ^２〜１０^７Ａ／ｃｍ^２間に含まれる大きさを有する加熱電流３１を用いることによって、接合部２は、Ｔ_ＢＳとＴ_ＢＲとの間にあって１２０℃〜２００℃間に含まれる高温閾値まで加熱することができる。かかる温度では、強磁性記憶層２１と反強磁性記憶層２１ｂとの間の磁気結合は消え、記憶層２１の磁化は、自由に調整することができる。次に、加熱電流３１は、選択トランジスタ３を閉モードに設定することによって切られる。磁気トンネル接合部２の冷却中に、界磁電流８１が、力線４中を送られて、記憶層２３の磁化方向を反転できる磁界８２を生成するようにする。次に、磁化は、記憶層２３が固定される低温閾値にまで接合部２が冷却されてから、その反転された方向に固定される。

図１のＭＲＡＭセル構成とは対照的に、図２ａおよび２ｂのＴＡＳ−ＭＲＡＭセル１０は、反強磁性記憶層２１ｂによって交換バイアスをかけられる記憶層２１のかなり改善された熱的安定性によって特徴づけられる。また、周囲温度のままに留まる隣接するセルと比較して、書き込まれるＴＡＳ−ＭＲＡＭセル１０の選択的加熱ゆえに、書き込み選択性の改善が、達成される。ＴＡＳ−ＭＲＡＭセル１０は、周囲温度において高い磁気異方性を備えた材料、およびセル１０の安定限界に影響を与えずにより高い集積密度を用いることによって、ゼロ磁界におけるより優れた安定性（保持）を可能にする。さらに、電力消費の低減が、ＴＡＳ−ＭＲＡＭセル１０の書き込み動作中に達成される。なぜなら、セル１０を加熱し、かつ記憶層２１の磁化を切り替えるために必要とされる加熱電流３１および界磁電流８１が、それぞれ、図１のＭＲＡＭセル構成において用いられるそれぞれの第１の界磁電流４１および第２の界磁電流５１より低いからである。

磁気トンネル接合部が円形ジオメトリを有するＴＡＳ−ＭＲＡＭセルの改善が、特許文献６に開示されている。ここでは、界磁電流は、形状異方性からの寄与なしに、記憶層の結晶磁気異方性によってのみ決定され、界磁電流のさらなる低減およびより低い電力消費をもたらす。

上記のＭＲＡＭアーキテクチャに関する別の改良が、スピン移動トルク（ＳＴＴ）アーキテクチャであるが、これは、図３に概略的に示されており、かつ特許文献７および特許文献８に最初に記載された。図２ａのセル構成と対照的に、図３のＳＴＴベースＭＲＡＭセル１００は、力線８を必要としない。実際、図３のセルの書き込み動作中に、磁界を印加する代わりに、スピン偏極電流３２が、選択トランジスタ３が開モード（ＯＮ）である場合に、磁気トンネル接合部２を通過する。スピン偏極電流３２は、基準層２３の磁化に対応する方向に記憶層２１の磁化を切り替えることができるようにトルクを働かせる。

特許文献９は、図３に示されたセル構成および図２ｂに示された磁気トンネル接合部２を用いるＴＡＳ書き込み手順を備えたＳＴＴベースＭＲＡＭセル１００を記載している。ＳＴＴベースＴＡＳ−ＭＲＡＭセル１００の書き込み動作中に、加熱電流パルス３１は、接合部２を高温閾値まで加熱するために、磁気トンネル接合部２を通して送られるが、この高温閾値では、記憶層２１の磁化は、上記のように、自由に調整することができる。次に、加熱電流３１は、選択トランジスタ３を閉モードに設定することによって切られ、磁気トンネル接合部２の冷却中に、スピン偏極電流３２は、強磁性記憶層２１の磁化を切り替えるために、接合部２を通過する。

ＳＴＴベースＴＡＳ−ＭＲＡＭセル１００は、高密度ＭＲＡＭのための有望なルートである。なぜなら、書き込み電流またはスピン偏極電流３２は、セルサイズと直接的にスケーリングするからである（これは、前述の実装では当てはまらない）。実際には、スピン偏極電流３２は、磁気トンネル接合部２の面積と反比例してスケーリングする。さらに、ＳＴＴベースＴＡＳ−ＭＲＡＭセル１００は、記憶層磁化の高速切り替えおよびより高いセル密度を可能にする。なぜなら、磁力線が必要ではないからである。

上記のＳＴＴベースＴＡＳ−ＭＲＡＭセル１００には、いわゆる縦構成が含まれるが、この構成では、スピン偏極電流３２のスピンは、記憶層２３の磁化と共線的に注入される。かかる縦構成は、通常、セル１００の製造プロセス中に、記憶層２１の積層中に印加される磁界方向と共線的な、基準層２３の積層中の磁界方向に印加される外部磁界がある状態で、基準層２３および記憶層２１を積層することことによって実現される。これは、図５ａ〜５ｃに示されているが、これらの図では、基準層２１（図５ａ）および記憶層２３（図５ｂ）の積層中の外部磁界方向は、単純な矢印によって示されている。図５ａにおいて、円は、上から見た磁気トンネル接合部２を概略的に示す。図５ｃは、層の積層後、磁気トンネル接合部２のアニール中に印加される外部磁界の方向（破線の矢印）を示す。接合部２のアニールは、典型的には３００℃より高い温度で実行される。

ＳＴＴベースＴＡＳ−ＭＲＡＭセル１００は、記憶層２１の磁化を切り替えるために、典型的には、１０ナノ秒のパルス幅に対して約４ＭＡ／ｃｍ^２で、より短いパルス幅に対しては増加する高スピン偏極電流密度を必要とするという難点がある。これは、かかる高電流を駆動するために必要な大きな選択トランジスタ３ゆえに、大きくて実際的でないセルサイズに帰着する。高電流はまた、高電力損失、ならびに特に絶縁層２２において磁気トンネル接合部２の信頼性の起こり得る摩滅および低下をもたらす可能性がある。例えば４５ｎｍ未満の小さなセルサイズについては、熱的安定性および小さな書き込みスピン偏極電流は、同時的に達成するのが難しい。さらに、書き込み動作速度は、１０ｎｓの範囲に制限される。なぜなら、記憶層磁化の切り替えは、本質的に確率論的な熱活性化によってトリガされるからである。

スピン偏極電流密度を低減するために、特許文献１０は、「スピン偏極」層を追加すること、または合成反強磁性（ＳＡＦ）積層を用いることを提案している。ＳＴＴベースＴＡＳ−ＭＲＡＭセルの安定性の改善はまた、垂直に磁化された磁気層の使用を提案する非特許文献１、またはＴＡＳおよびＳＴＴの組み合わせを開示する特許文献９によって取り組まれた。しかしながら、上記の解決法のどれも、書き込み電流密度の著しい低減を可能にはしない。

米国特許第５５８３７２５号明細書 米国特許第４９４９０３９号明細書 米国特許第５１５９５１３号明細書 米国特許第５３４３４２２号明細書 米国特許出願公開第２００５００２２２８号明細書 米国特許出願公開第２００６０２９１２７６号明細書 米国特許第５６９５８６４号明細書 米国特許第６１７２９０２号明細書 米国特許第６９５０３３５号明細書 米国特許第６６０３６７７号明細書 米国特許出願公開第２００５０４０４３３号明細書 欧州特許出願第０９１５７３０６号明細書 欧州特許出願第９２９０１２７号明細書

Ｎａｋａｙａｍａ ｅｔ ａｌ、Ｊｏｕｒｎ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．１０３、０７Ａ７１０（２００８）

したがって、本発明の目的は、少なくとも先行技術のいくつかの制約を克服する熱支援切り替え（ＴＡＳ）書き込み手順を備えたスピン移動トルク（ＳＴＴ）ベース磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セルを提案することである。

本発明の別の目的は、従来のＳＴＴベースＴＡＳ−ＭＲＡＭセルにおいて用いられる書き込み電流より小さな書き込み電流で書き込みできるＳＴＴベースＴＡＳ−ＭＲＡＭセルを提供することである。

本発明によれば、これらの目的は、高温閾値で調整可能な第１の磁化を有する強磁性記憶層、固定された第２の磁化を有する強磁性基準層、ならびに絶縁層であって、強磁性記憶層と基準層との間に配置された絶縁層から形成された磁気トンネル接合部と、ワード線を介して、前記磁気トンネル接合部に電気的に接続され、かつ制御可能な選択トランジスタと、前記磁気トンネル接合部（２００）に電気的に接続され、少なくとも書き込み電流を伝達する電流線と、を含み、強磁性記憶層の結晶磁気異方性が、強磁性基準層の結晶磁気異方性とほぼ直角であるＳＴＴベースＴＡＳ−ＭＲＡＭセルによって達成される。

本発明の一実施形態において、セルは、電流線を介して接合部を通過する書き込み電流によって書き込み可能であるが、書き込み電流は、高温閾値に接合部を加熱するための第１の強度と、記憶層の第１の磁化を切り替えるための、および第１の磁化が固定される低温閾値に磁気トンネル接合部を冷却するための、第１の強度より低い第２の強度と、を有する。

本発明の別の実施形態において、書き込み電流は、スピン偏極電流によって決定される方向に第１の磁化を切り替えるためのスピン偏極電流である。

本発明のさらに別の実施形態において、磁気トンネル接合部には、強磁性記憶層の前記第１の磁化を低温閾値で固定し、かつ前記第１の磁化を高温閾値で自由にする反強磁性記憶層がさらに含まれる。

本発明にはまた、ＴＡＳ ＭＴＪベースＭＲＡＭセルにデータを書き込むための方法が含まれ、この方法には、
電流線を介して磁気トンネル接合部に書き込み電流を通過させるステップであって、書き込み電流が、磁気トンネル接合部を加熱するための第１の強度を有するステップと、
磁気トンネル接合部が高温閾値に到達した後で、記憶層の第１の磁化を切り替えるための、および磁気トンネル接合部を冷却するためのより低い第２の強度へ、書き込み電流の強度を低減するステップと、
磁気トンネル接合部が、第１の磁化が固定される低温閾値まで冷却された後で、書き込み電流を切るステップと、
が含まれる。

本発明の一実施形態において、前記書き込み電流は、スピン偏極電流のスピン方向に従う方向に第１の磁化を切り替えるためのスピン偏極電流である。

本発明の別の実施形態において、第１の磁化の前記切り替えは、第２の磁化の方向とほぼ直角な初期方向から、第２の磁化の方向とほぼ平行または逆平行の切り替え方向へ実行される。

ＳＴＴベースＴＡＳ−ＭＲＡＭセルによって、非常に短いパルス幅（１０ｎｓ未満）における熱的安定性および最小の書き込み電流密度が同時に達成可能になる。

本発明は、例として提示され、かつ図によって示される実施形態の説明によって、よりよく理解されよう。

先行技術の磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）を示す。 磁気トンネル接合部を含む、先行技術の熱支援切り替え（ＴＡＳ）書き込み手順を備えたＭＲＡＭセル構成を概略的に示す。 図２ａの磁気トンネル接合部の詳細図である。 先行技術のスピン移動トルク（ＳＴＴ）ベースＴＡＳ−ＭＲＡＭセルを概略的に示す。 磁気トンネル接合部の記憶層および基準層の磁化が低温閾値に対して示された、本発明の一実施形態によるＳＴＴベースＴＡＳ−ＭＲＡＭセルを示す。 記憶層および基準層の磁化が高温閾値に対して示された、図４ａのＳＴＴベースＴＡＳ−ＭＲＡＭセルを示す。 図３のＳＴＴベースＴＡＳ−ＭＲＡＭセルの接合部における、（ａ）基準層、（ｂ）記憶層の積層中、および（ｃ）アニール中に印加される外部磁界の方向を示す。 図４ａのＳＴＴベースＴＡＳ−ＭＲＡＭセルの接合部における、（ａ）基準層、（ｂ）記憶層の積層中、および（ｃ）アニール中に印加される外部磁界の方向を示す。 （ａ）初期状態、（ｂ）加熱ステップ、（ｃ）書き込みステップ、および（ｄ）冷却ステップを示す、本発明の一実施形態による、図４ａのＳＴＴベースＴＡＳ−ＭＲＡＭセルに実行される書き込み動作を概略的に示す。 図７ａのセル構成に対して測定されたヒステリシスループを示す。 図７ｂのセル構成に対して測定されたヒステリシスループを示す。

本発明の一実施形態による、熱支援切り替え（ＴＡＳ）書き込み手順を備えたスピン移動トルク（ＳＴＴ）ベース磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セル１００が、図４ａおよび４ｂに示されている。ＳＴＴベースＴＡＳ−ＭＲＡＭ１００には、第１の磁化２１１を有する強磁性記憶層２１０と、第２の磁化２３１を有する基準層（ここでは強磁性基準層２３０）との間に配置された絶縁層２２０から形成された多層磁気トンネル接合部２００が含まれる。接合部２００は、ワード線（図示せず）によって制御される選択トランジスタ３００と連通する。ＳＴＴベースＴＡＳ−ＭＲＡＭセル１００には、磁気トンネル接合部２００に電気的に接続された電流線７００がさらに含まれる。

本発明の一実施形態において、磁気トンネル接合部２００には、反強磁性記憶層２１０ｂがさらに含まれるが、この記憶層２１０ｂは、隣接する強磁性記憶層２１０と交換結合され、反強磁性記憶層２１０ｂのブロッキング温度Ｔ_ＢＳに対応する温度未満で強磁性記憶層２１０の第１の磁化２１１を保持し、かつＴ_ＢＳ以上で第１の磁化２１１を保持しない。磁気トンネル接合部２００にはまた、反強磁性基準層（図示せず）が含まれるが、この反強磁性基準層は、典型的にはＰｔＭｎまたはＮｉＭｎなどのＭｎベースの合金で作製され、好ましくは隣接する強磁性基準層２３０に交換バイアスをかける。反強磁性基準層は、Ｔ_ＢＳより高いブロッキング温度Ｔ_ＢＲによって特徴づけられ、強磁性基準層２３０の磁気モーメントを配向し、Ｔ_ＢＲ未満の温度で強磁性基準層２３０の第２の磁化２３１を固定する固定磁界を生成する。

本発明の別の実施形態（図示せず）において、基準層２３０は、第１および第２の強磁性基準層を含む合成反強磁性固定層（ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔ ｐｉｎｎｅｄ ｌａｙｅｒ）から形成されるが、これらの第１および第２の強磁性基準層は、両方ともＦｅ、ＣｏまたはＮｉベースの合金から形成され、かつそれらの間に、例えばルテニウムで作製された非強磁性基準層を挿入することによって反強磁性的に結合される。本実施形態において、反強磁性基準層は、第２の強磁性基準層の下に設けられる。

本発明の一実施形態において、強磁性記憶層２１０は、本出願人による特許文献１１に記載されているように、希土類および遷移金属に基づいた非晶質またはナノ結晶化合金で作製される。前記合金の磁気秩序は、フェリ磁性タイプとすることができ、強磁性記憶層２１０は、ほぼ平面磁化を有することができる。非晶質またはナノ結晶化合金の使用によって、磁気トンネル接合部２００の両端にわたって印加される、かつ書き込み手順に必要とされる電圧を著しく低減して、接合部２００の絶縁破壊を回避しかつメモリセル１００の電気消費を最小限にすることが可能になる。

好ましくは、強磁性記憶層２１０は、約１〜１０ｎｍの厚さを有し、かつパーマロイ（Ｎｉ_８０Ｆｅ_２０）、Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０、またはＦｅ、Ｃｏ、もしくはＮｉを含む他の合金の群から典型的に選択される、平面磁化を有する材料で作製される。また、好ましくは、反強磁性記憶層２１０ｂは、例えばＩｒＭｎまたはＦｅＭｎのマンガンベースの合金で作製される。反強磁性記憶層２１０ｂは、待機温度において、すなわち加熱がない状態で、強磁性記憶層２１０の磁化が、数年の期間にわたってその磁化を保持できるが、しかし全ての書き込みプロセス中に、接合部材料の劣化および／または高電力消費をもたらす可能性がある温度で接合部２００を加熱することを必要にするほど高くないように、十分に固定されるのが確実になるほど十分に高いブロッキング温度Ｔ_ＢＳを有する。ここで、例えば１２０〜２２０℃の範囲のＴ_ＢＳが適切である。

トンネル障壁の役割を果たす絶縁層２２０は、Ａｌ_２Ｏ_３およびＭｇＯを含む群から選択される材料で作製するのが好ましい。接合部２００のトンネル抵抗Ｒは、絶縁層２２０の厚さに指数関数的に依存し、接合部２００の抵抗−面積の積（ＲＡ）によって測定される。ＲＡは、反強磁性記憶層２１０ｂの温度をそのブロッキング温度Ｔ_ＢＳを超えて上昇させるように十分に高い加熱電流３１０を、接合部２００を通して流すために、十分に小さくしなければならない。例えば、接合部の温度を１００℃まで上昇させるために一般に必要とされる１０^５Ａ／ｃｍ^２〜１０^７Ａ／ｃｍ^２の範囲に加熱電流密度をするために、ＲＡ値は、１〜５００Ω・μｍ^２にすべきである。

本発明のさらに別の実施形態（図示せず）において、非常に低い熱伝導率を有する少なくとも１つの熱障壁層が、接合部２００の上部および底部に追加される。これらの追加層の目的は、接合部２００を通って流れる電流３１０の熱効率を向上させる一方で、電極（図示せず）の方への熱の拡散を制限し、接合部２００と、接続電流線７００との間の電気的接続を確保することである。

本明細書で開示するような、本発明によるＳＴＴベースＴＡＳ−ＭＲＡＭセル１００において、強磁性記憶層２１０の結晶磁気異方性は、強磁性記憶層２１０を固定する反強磁性層２１０ｂの異方性に対して、および強磁性基準層２３０の結晶磁気異方性に対してほぼ直角である。これは、磁気トンネル接合部２００が、反強磁性記憶層２１０ｂのブロッキング温度Ｔ_ＢＳ以上だが、しかし反強磁性基準層のＴ_ＢＲのブロッキング温度未満に含まれる高温閾値に加熱される場合に、強磁性記憶層２１０の第１の磁化２１１は、基準層２３０の第２の磁化２３１の方向とほぼ直角に整列されることを意味する。図４ｂにおいて、強磁性記憶層２１０の第１の磁化２１１は、ページに入るように示され、一方で強磁性基準層２３０の第２の磁化方向２３１は、左の方に向けて示されている。第１の磁化２１１および第２の磁化２３１は、それぞれ、ページの外へおよび右の方へ引くか、または第１の磁化２１１が第２の磁化２３１とほぼ直角な方向である限りは、任意の他の方向を有することができる。図４ａは、Ｔ_ＢＳ未満の温度、例えば室温におけるＳＴＴベースＴＡＳ−ＭＲＡＭセル１００を示し、第１の磁化２１１は、第２の磁化２３１とほぼ平行に整列される。ここで、第１の磁化はまた、第２の磁化２３１とほぼ逆平行にすることができる。

強磁性基準層２３０の結晶磁気異方性とほぼ直角な、強磁性記憶層２１０の結晶磁気異方性は、強磁性基準層２３０の積層中に印加される外部磁界の磁界方向とほぼ直角な磁界方向で印加される外部磁界がある状態で、強磁性記憶層２１０を積層することによって得られる。これは、図６ａ〜６ｃに概略的に示されているが、これらの図では、円は、上から見た磁気トンネル接合部２００を示す。特に、
● 強磁性基準層２３０の積層プロセス中に（図６ａ）、外部磁界は、単純な矢印によって示された第１の磁界方向１１０に印加される。
● 強磁性記憶層２１０の積層中に（図６ｂ）、外部磁界は、第１の磁界方向１１０とほぼ直角な、ページに入るように示された第２の磁界方向１２０に印加される。

磁気トンネル接合部２００の様々な層の積層後に、磁気トンネル接合部２００は、典型的には３００℃より高い温度でアニールされる。アニールステップ中に（図６ｃ）、外部磁界は、第１の磁界方向１１０とほぼ平行または逆平行に向けられた、破線の矢印によって示される第３の磁界方向１３０に印加される。しかしながら、第１の磁界方向１１０、第２の磁界方向１２０、および第３の磁界方向１３０の他の方向が、第２の磁界方向１２０が第１の磁界方向１１０および第３の磁界方向１３０とほぼ直角に向けられている限り、可能である。

本発明の別の実施形態において、強磁性基準層の磁化とほぼ直角な強磁性記憶層２１０の結晶磁気異方性は、１より大きな楕円率を備えた接合部２００を有することによって得られ、接合部２００の長軸は、反強磁性記憶層２１０ｂの異方性方向と直角に向けられている。

強磁性基準層２３０の結晶磁気異方性とほぼ直角な強磁性記憶層２１０の結晶磁気異方性は、ＴＡＳ書き込み動作の場合と同様に、強磁性記憶層２１０が反強磁性層２１０ｂと交換バイアスをかけられる場合には有利である。

本発明の一実施形態に従って、ＳＴＴベースＴＡＳ−ＭＲＡＭセル１００にデータを書き込むための書き込み動作が、図７ａ〜７ｄに概略的に示されている。接合部２００が、反強磁性記憶層２１０ｂのブロッキング温度Ｔ_ＢＳ未満の低温閾値、例えば室温である、図７ａに示された初期構成において、強磁性記憶層２１０の第１の磁化２１１の方向は、反強磁性記憶層２１０ｂの異方性によって固定され、かつ強磁性基準層２３０の磁化と共線的である。セル１００は、トランジスタ３００が、接合部２００を通して電流が流れない閉モード（ＯＦＦ）にある状態で、示されている。この構成において、接合部抵抗Ｒは、第１の磁化２１１および第２の磁化２３１が、図７ａに示すように逆平行である場合には、高くなり得るし、または第１の磁化２１１および第２の磁化２３１が平行である場合には、低くなり得る。

本発明の一実施形態によれば、図７ｂおよび７ｃに示される書き込み動作中に、書き込み電流、ここでは、第１の強度３１０を有するスピン偏極電流が、磁気トンネル接合部２００の温度を上昇させるために、選択トランジスタ３００がオープン（ＯＮ）である場合に電流線７００を介して接合部に注入される。特に、接合部２００は、高温閾値に加熱されるが、この高温閾値では、強磁性記憶層２１０と反強磁性記憶層２１０ｂとの間の電磁結合は消える。自由に調整可能な第１の磁化２１１は、その異方性に沿って、すなわち、反強磁性基準層によって固定される、強磁性基準層２３０の第２の磁化２３１の方向とほぼ直角な方向に、それ自体を整列させる（図７ｂ）。

次に、スピン偏極電流の強度は、第２の強度３２０に低下されるが、この第２の強度３２０は、磁気トンネル接合部２００が低温閾値まで冷却され得るようにするほど低いが、低温閾値が到達されかつ第１の磁化２１１が固定される前に、スピン偏極電流が、強磁性記憶層２１０の第１の磁化２１１を切り替えできるほどに高い。これが可能なのは、強磁性記憶層２１０の磁化の反転に必要とされるスピン偏極電流の臨界的な第２の強度３２０が、接合部２００を高温閾値に加熱するために必要な第１の強度３１０より小さいからである。ここで、第１の磁化２１１の切り替えは、第２の磁化２３１の方向とほぼ直角な初期方向から、第２の磁化２３１の方向とほぼ平行または逆平行な切り替え方向へと実行される。

磁気トンネル接合部２００が低温閾値まで冷却された後で、スピン偏極電流は、選択トランジスタ３００を閉モードに設定することによって切られる。

本発明の好ましい実施形態において、第２の強度３２０を有するスピン偏極電流は、ちょうどＴ_ＢＳ未満の温度が到達されるまで、強磁性記憶層２１０の第１の磁化２１１を整列させることができる。これによって、第１の磁化２１１が反強磁性記憶層２１０ｂによって完全に固定される低温閾値未満ちょうどに、温度が低下するまで、強磁性記憶層２１０の第１の磁化２１１が、スピン偏極電流に従って配向されるままであることが保証される。

ここで、スピン偏極電流は、強磁性記憶層２１０に貫入する電子のスピンが、大部分、強磁性基準層２３０の磁化方向に沿った方向になるように、電流フロー方向に従って基準層２３０を通過するときに偏極される。スピン偏極電流は、強磁性記憶層２１０の第１の磁化２１１にトルクを働かせ、強磁性基準層２３０の第２の磁化２３１に対応する方向に第１の磁化２１１を切り替えるようにする（図７ｃ）。注入されたスピンが、第１の磁化２１１の方向とほぼ直角に整列されるので、第１の磁化２１１の反転を可能にするトルクは最大である。図７ｄの例において、上記の書き込み動作後に、第１の磁化２１１は、図７ａに示されるその初期方向に対して反対方向に固定される。

本明細書で開示するような、本発明によるＳＴＴベースＴＡＳ−ＭＲＡＭセル１００によって、第１の磁化２１１の迅速な反転が可能になる。実際に、スピン偏極電流３２０のスピンは、第１の磁化２１１とほぼ直角な方向にされ、スピン偏極電流３２０が印加されて温度が低温閾値に達するかまたは超えた瞬間に、第１の磁化２１１に最大のトルクを働かせる。第１の磁化２１１の迅速な反転により、従来のＳＴＴベースＴＡＳ−ＭＲＡＭセルと比較して、より短くより小さなスピン偏極電流パルス３２０（１０ｎｓ未満）の使用が可能になり、かくして、書き込み速度が向上され、電力消費が低減される。さらに、本明細書で開示するような、本発明によるＳＴＴベースＴＡＳ−ＭＲＡＭセル１００は、磁気トンネル接合部２００において追加的な直角偏極層の使用を必要とせず、接合部２００の製造を単純化する。

冷却ステップ（図７ｄ）後、読み出し動作（図示せず）中に、選択トランジスタ３００は開かれ（ＯＮ）、センス電流が、電流線７００を介して磁気トンネル接合部２００を通過する。低温閾値未満の温度、例えば室温で、電圧が、接合部２００の両端にわたって測定され、対応する接合部抵抗Ｒが得られる。図７ｄの例では、第１の磁化２１１の方向が第２の磁化２３１の方向と平行であり、低い接合部抵抗Ｒが測定される。

図７ａおよび図７ｂのセル構成用のヒステリシスループが、図８ａおよび８ｂにそれぞれ示されているが、図８ａおよび８ｂにおいて、室温で測定された磁気トンネル接合部抵抗Ｒが、磁界Ｈに対してプロットされている。図８ａにおいて、第１の磁化２１１は、第２の磁化２３１と逆平行であり、ヒステリシスループは、左にシフトされた反強磁性記憶層２１０ｂの交換結合磁界Ｈ_ｅｘを中心にする。これは、論理状態「１」に対応する、Ｈ＝０で測定された高い接合部抵抗Ｒをもたらす。図８ｂにおいて、第１の磁化２１１は、第２の磁化２３１と平行であり、右にシフトされた交換結合磁界Ｈ_ｅｘ、および論理状態「０」に対応する、Ｈ＝０で測定された低い接合部抵抗Ｒに帰着する。

本発明が、上記の例示的な実施形態に限定されないこと、および実装の他の例がまた、特許請求の範囲内で可能であることが分かる。

例えば、本発明の一実施形態（図示せず）において、書き込み動作は、電流の第１の部分、ここでは加熱電流３１０を、磁気トンネル接合部２００に通過させ、接合部２００が高温閾値に到達するのと同時またはその後に、電流の第２の部分、ここでは界磁電流を電流線７００に通過させることによって実行される。界磁電流は、強磁性記憶層２１０の第１の磁化２１１を界磁電流の極性に依存する方向に切り替えるための磁界を発生することができる。かかる書き込み動作が、本出願人による未公開の特許文献１２に記載されている。

本発明の別の実施形態（図示せず）において、ＳＴＴベースＴＡＳ−ＭＲＡＭセル１００には、磁気トンネル接合部２００に電気的に接続されたストラップ、および第２の選択トランジスタが含まれる。２つの選択トランジスタは、本出願人による未公開の特許文献１３に記載されているように、ストラップの各対向する末端で電気的に接続される。ここで、書き込み動作は、２つのトランジスタ間のストラップを通って流れる電流の第１の部分または加熱電流３１０で接合部２００を加熱することによって実行される。電流の第２の部分、またはスピン偏極電流３２０は、電流線７００を介して接合部２００を通過する。本実施形態において、スピン偏極電流３２０は、加熱電流３１０から独立して制御することができる。

磁気メモリ装置（図示せず）が、本明細書で開示するような本発明の一実施形態のいずれかに従って、複数のＳＴＴベースＴＡＳ−ＭＲＡＭセル１００を含む装置から形成され得る。磁気メモリ装置において、ＳＴＴベースＴＡＳ−ＭＲＡＭセル１００の各接合部２００は、記憶層２１０の側で電流線７００に接続され、反対側でワード線に接続されるが、このワード線は、電流線７００とほぼ直角に配置される。ＳＴＴベースＴＡＳ−ＭＲＡＭセル１００の１つが書き込まれることになる場合には、制御電流パルスが、１つまたはいくつかのワード線で送られ、対応するワード線のトランジスタ３００の少なくとも１つを開モード（ＯＮ）にするようにする。加熱電流３１０に対応する第１の強度を有する、かつ／またはおそらくスピン偏極書き込み電流３２０に対応する第２の強度を有する電流パルスが、書き込まれることになるＳＴＴベースＴＡＳ−ＭＲＡＭセル１００、すなわち、活性接続電流線７００および活性ワード線の交差部に配置されたＳＴＴベースＴＡＳ−ＭＲＡＭセル１００に対応する各電流線７００に送られる。

１ 従来のＭＲＡＭセル
２ 磁気トンネル接合部
２１ 強磁性記憶層
２１ｂ 反強磁性記憶層
２２ 絶縁層
２３ 基準層
２４ 反強磁性基準層
３ 選択トランジスタ
３１ 加熱電流
３２ スピン偏極電流
４ 第１の力線
４１ 第１の界磁電流
４２ 第１の磁界
５ 第２の電流線
５１ 第２の界磁電流
５２ 第２の磁界
６ ワード線
７ 電流線
８ 従来のＴＡＳ−ＭＲＡＭセルの力線
８１ 界磁電流
８２ 磁界
１０ 従来のＴＡＳ−ＭＲＡＭセル
１００ 本発明のＴＡＳ−ＭＲＡＭセル
１１０ 第１の磁界方向
１２０ 第２の磁界方向
１３０ 第３の磁界方向
２００ 磁気トンネル接合部
２１０ 記憶層
２１０ｂ 反強磁性記憶層
２１１ 基準層の第１の磁化
２２０ 絶縁層
２３０ 基準層
２３１ 基準層の第２の磁化
３００ 選択トランジスタ
３１０ スピン偏極電流の第１の強度
３２０ スピン偏極電流の第２の強度
４１０ 界磁電流
４２０ 磁界
７００ 電流線
Ｈ
Ｈ_ｅｘ
Ｈ_Ｒ 強磁性記憶層の反転磁界
Ｔ_ＢＳ 反強磁性記憶層のブロッキング温度
Ｔ_ＢＲ 反強磁性基準層のブロッキング温度
Ｒ 磁気トンネル接合部抵抗
ＲＡ 接合部抵抗−面積の積

Claims (10)

1. 熱支援切り替え（ＴＡＳ）書き込み手順を備えたスピン移動トルク（ＳＴＴ）ベース磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セルであって、
   高温閾値で調整可能な第１の磁化を有する強磁性記憶層と、固定された第２の磁化を有する強磁性基準層と、及び、前記強磁性記憶層と基準層との間に配置された絶縁層とから形成された磁気トンネル接合部と、
   前記磁気トンネル接合部に電気的に接続され、かつ、ワード線を介して制御可能な選択トランジスタと、
   前記磁気トンネル接合部に電気的に接続され、少なくとも書き込み電流を流す電流線と、
   を備え、
   前記強磁性記憶層の結晶磁気異方性が、前記強磁性基準層の結晶磁気異方性とほぼ直角であるスピン移動トルク（ＳＴＴ）ベース磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セル。
2. 前記セル（１００）が、前記電流線を介して前記接合部を流れる前記書き込み電流によって書き込み可能であり、前記書き込み電流が、
   前記高温閾値に前記接合部を加熱するための第１の強度と、
   前記記憶層の前記第１の磁化を切り替えるための、および前記第１の磁化が固定される低温閾値に前記磁気トンネル接合部を冷却するための、前記第１の強度より低い第２の強度と、
   を有する、請求項１に記載のＳＴＴベースＴＡＳ−ＭＲＡＭセル。
3. 前記書き込み電流が、前記スピン偏極電流によって決定される方向に前記第１の磁化を切り替えるためのスピン偏極電流である、請求項１に記載のＳＴＴベースＴＡＳ−ＭＲＡＭセル。
4. 前記磁気トンネル接合部が、前記強磁性記憶層の前記第１の磁化を前記低温閾値で固定し、かつ前記第１の磁化を前記高温閾値で非固定化する反強磁性記憶層をさらに含む、請求項１に記載のＳＴＴベースＴＡＳ−ＭＲＡＭセル。
5. 前記磁気トンネル接合部が、前記反強磁性基準層のブロッキング温度未満で、前記強磁性基準層の前記第２の磁化を固定する反強磁性基準層をさらに含む、請求項１に記載のＳＴＴベースＴＡＳ−ＭＲＡＭセル。
6. 高温閾値で調整可能な第１の磁化を有する強磁性記憶層と、固定された第２の磁化を有する強磁性基準層と、及び、前記強磁性記憶層と基準層との間に配置された絶縁層とから形成された磁気トンネル接合部と、
   前記磁気トンネル接合部に電気的に接続され、かつ、ワード線を介して制御可能な選択トランジスタと、
   前記磁気トンネル接合部に電気的に接続され、少なくとも書き込み電流を伝達する電流線とを備える複数のＳＴＴベースＴＡＳ−ＭＲＡＭセルであって、
   前記強磁性記憶層の結晶磁気異方性が、前記強磁性基準層の結晶磁気異方性とほぼ直角である複数のＳＴＴベースＴＡＳ−ＭＲＡＭセルを含むアレイから形成された磁気メモリ装置。
7. 熱支援切り替え（ＴＡＳ）書き込み手順を備えたスピン移動トルク（ＳＴＴ）ベース磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セルにデータを書き込む方法であって、前記ＳＴＴベースＴＡＳ−ＭＲＡＭセルが、高温閾値で調整可能な第１の磁化を有する記憶層と、固定された第２の磁化を有する基準層と、及び、前記記憶層と基準層との間に配置された絶縁層とから形成された磁気トンネル接合部を備え、
   前記ＳＴＴベースＴＡＳ−ＭＲＡＭセルが、前記磁気トンネル接合部に電気的に接続され、かつ、ワード線を介して制御可能な選択トランジスタと、前記磁気トンネル接合部に電気的に接続された電流線と、をさらに備え、
   前記強磁性記憶層の結晶磁気異方性が、前記強磁性基準層の結晶磁気異方性とほぼ直角であり、
   前記方法が、
   前記電流線を介して前記磁気トンネル接合部を通り、前記磁気トンネル接合部を加熱するための第１の強度を有する書き込み電流を通過させるステップであって、
   前記磁気トンネル接合部が前記高温閾値に到達した後で、前記記憶層の前記第１の磁化を切り替えるための、および前記磁気トンネル接合部を冷却するためのより低い第２の強度へ、前記書き込み電流の強度を低減するステップと、
   前記磁気トンネル接合部が、前記第１の磁化が固定される低温閾値まで冷却された後で、前記書き込み電流を切るステップと、
   を備える方法。
8. 前記書き込み電流が、スピン偏極電流のスピン方向に従う方向に前記第１の磁化を切り替えるスピン偏極電流である、請求項７に記載の方法。
9. 前記第１の磁化の前記切り替えが、前記第２の磁化の方向とほぼ直角な初期方向から、前記第２の磁化の方向とほぼ平行または逆平行の切り替え方向へ実行される、請求項７に記載の方法。
10. 熱支援切り替え（ＴＡＳ）書き込み手順を備えたスピン移動トルク（ＳＴＴ）ベース磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セルを製造する方法であって、
    前記ＳＴＴベースＴＡＳ−ＭＲＡＭセルが、高温閾値で調整可能な第１の磁化を有する記憶層と、固定された第２の磁化を有する基準層と、及び、前記記憶層と基準層との間に配置された絶縁層とから形成された磁気トンネル接合部を備え、
    前記強磁性記憶層の結晶磁気異方性が、前記強磁性基準層の結晶磁気異方性とほぼ直角であり、
    前記方法が、
    第１の磁界方向を有する、印加された外部磁界を用いて前記基準層を積層するステップと、
    前記第１の磁界方向にほぼ直角な第２の磁界方向を有する、印加された外部磁界を用いて前記記憶層を積層するステップと、
    第１の磁界方向とほぼ平行または逆平行の第３の磁界方向を有する、印加された外部磁界を用いて前記磁気トンネル接合部をアニールするステップと、を備える方法。

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