メモリ・セルおよびメモリ・デバイス
【課題】従来技術のＭＲＡＭメモリ・セルの欠点を克服し、とりわけ、従来技術のＭＲＡＭメモリ・セルと比較して「書き込み」動作を改良可能とした、ＭＲＡＭメモリ・セルを提供する。
【解決手段】 本発明に従ったメモリ・セルは、その磁化の相対配向がデータ・ビットを定義する、第１および第２の強磁性層（１１、１２）を含む磁気素子を備え、第１および第２の強磁性層は、非強磁性の、好ましくは電気的に絶縁の、スペーサ層（１３）によって分離されている。データ・ビットは、磁気ＲＡＭの分野で知られているように、たとえば、磁気素子全体にわたる、好ましくは層面に垂直の電気抵抗を測定することによって、読み出しが可能である。磁気素子に加えて、メモリ・セルは、その磁化方向が明確である、他の第３の強磁性層（１５）と、印加される電気的電圧信号によってイオン濃度を変化させることにより、そのキャリア密度が変更可能である、抵抗切り替え材料（１４）と、を備える。これにより、キャリア密度を、第１の状態と第２の状態との間で切り替えることが可能であり、第２と第３の強磁性層の間の有効交換カップリングは、第２および第３の強磁性層の磁化間で磁気カップリング全体の方向が変化するように、すなわち、磁気カップリング全体が第２および第３の強磁性層の磁化方向の異なる相対配向を好むように、影響を受ける。
【解決手段】 本発明に従ったメモリ・セルは、その磁化の相対配向がデータ・ビットを定義する、第１および第２の強磁性層（１１、１２）を含む磁気素子を備え、第１および第２の強磁性層は、非強磁性の、好ましくは電気的に絶縁の、スペーサ層（１３）によって分離されている。データ・ビットは、磁気ＲＡＭの分野で知られているように、たとえば、磁気素子全体にわたる、好ましくは層面に垂直の電気抵抗を測定することによって、読み出しが可能である。磁気素子に加えて、メモリ・セルは、その磁化方向が明確である、他の第３の強磁性層（１５）と、印加される電気的電圧信号によってイオン濃度を変化させることにより、そのキャリア密度が変更可能である、抵抗切り替え材料（１４）と、を備える。これにより、キャリア密度を、第１の状態と第２の状態との間で切り替えることが可能であり、第２と第３の強磁性層の間の有効交換カップリングは、第２および第３の強磁性層の磁化間で磁気カップリング全体の方向が変化するように、すなわち、磁気カップリング全体が第２および第３の強磁性層の磁化方向の異なる相対配向を好むように、影響を受ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）用のプログラマブル・メモリ・セルの分野であり、プログラマブル磁気抵抗メモリ・セル、およびこうしたメモリ・セルを備えたＲＡＭメモリ・デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気抵抗ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）は、たとえば米国特許第５，６４０，３４３号に開示された不揮発性メモリ技術である。この技術によれば、メモリ・セルは、たとえば異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）素子などの磁気抵抗素子、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果を示す金属多層素子、または、トンネリング磁気抵抗（ＴＭＲ）を示す磁気トンネル接合（ＭＴＪ）を備えた多層素子、を備える。
【０００３】
ＡＭＲおよびＧＭＲメモリ・セルのある種の抑制により、現行のＭＴＪベース技術は好ましく、市販のＭＲＡＭデバイスはＭＴＪメモリ・セルを組み込んでいる。
【０００４】
ＧＭＲベースおよびＴＭＲベースの両方のメモリ・セルにおいて、情報ビットは、メモリ・セル内の２つの別個の強磁性層の磁化の相対配向によって定義され、その強磁性層はスペーサ層（spacer layer）によって分離される。ＧＭＲセルにおいて、スペーサ層は非磁性金属であるが、ＴＭＲセルでは、スペーサ層は電気的に絶縁であり、１つの強磁性層から別のそれへの電流に対するトンネル障壁を構成する。たとえば、論理「１」は構成に対応する可能性があり、ここで２つの強磁性層の磁化は並列であるが、論理「０」は構成によって定義される可能性があり、ここで磁化は逆並列である、あるいはその逆もまた同様である。メモリ・セルの状態は、層面に垂直な（ＴＭＲまたはＧＭＲベースのメモリ・セル）、または層面に沿った（ＧＭＲベースのメモリ・セル）、電気抵抗を測定すること（「読み取り」動作）によって決定される。
【０００５】
２つの強磁性層のうちの一方は、明確な磁化方向を有することになる。この「硬質」磁気層（hard magnetic layer）では、磁化は、最大限でも超高磁場、すなわち、通常の動作中に印加されるよりも高い磁場によって永続的に影響を受ける場合がある。たとえば、硬質磁気層は反強磁性（ＡＦ）層に結合することができる。この硬質磁気層は、しばしば「固定強磁性」層または「ピン止め（pinned）強磁性層」とも呼ばれる。２つの強磁性層のうちの他方は、かなり効果の低い保磁力（coercivity）（ピン止めなどの層の環境の影響を含む保磁力）を有し、「軟質強磁性層」と呼ばれる。
【０００６】
「書き込み」動作の場合、軟質強磁性層の磁化を切り替えなければならない。そのため、いくつかの手法が提案されてきた。第１に、最も単純な手法は、メモリ・セルより上および下の２本の垂直接触線を通じて電流を流すことによる、軟質強磁性層の磁化方向を変更するのに十分な磁場の生成に依拠する。この手法は、最も単純である点において有利であるが、軟質強磁性層の保磁力がかなり明確である必要があり、サイズを縮小するにつれて、近隣のメモリ・セルの誤った書き込みの可能性が増加する。「書き込み」動作に関する他の手法は、同様に磁場の印加を必要とする「トグル・モード」を含み、「スピン・トルク移送（spin torque transfer）」が提案されてきたが、それらにも欠点がある。特に、提案されたすべての「書き込み」動作は、比較的大きな書き込み電流を必要とする。この「書き込み」動作の欠点は、なぜ１０年以上も前に開発されたＭＲＡＭデバイスが、これまで市場の単なるすきま製品（niche product）であったのかという理由の１つとすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第５，６４０，３４３号
【特許文献２】米国特許第６，８１５，７４４号
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】M.van Schilfgaarde、F.Herman、S.S.Parkin、およびJ.Kudrnovskyによる、Theory of Oscillatory ExchangeCoupling in Fe/(V,Cr)and Fe/(Cr,Mn)、Phys. Rev.Lett.74,4063（１９９５年）
【非特許文献２】M.Springford編集によるElectrons at the FermiSurface(Cambridge Univ.Press,Cambridge、１９８０年）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来技術のＭＲＡＭメモリ・セルの欠点を克服し、とりわけ、従来技術のＭＲＡＭメモリ・セルと比較して「書き込み」動作を改良可能とした、ＭＲＡＭメモリ・セルを提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の態様に従ったメモリ・セルは、その磁化の相対配向がデータ・ビットを定義する、第１および第２の強磁性層を含む磁気素子を備え、第１および第２の強磁性層は、非強磁性の、好ましくは電気的に絶縁の、スペーサ層によって分離されている。データ・ビットは、磁気ＲＡＭの分野で知られているように、たとえば、磁気素子全体にわたる、好ましくは層面に垂直の電気抵抗を測定することによって、読み出しが可能である。磁気素子に加えて、メモリ・セルは、その磁化方向が明確である（すなわち、メモリ・セルの動作中、磁化方向は固定される）、他の第３の強磁性層と、印加される電気的電圧信号によってイオン濃度を変化させることにより、そのキャリア密度が変更可能である、抵抗切り替え材料と、を備える。これにより、キャリア密度を、第１の状態と第２の状態との間で切り替えることができる。第２と第３の強磁性層の間の有効交換カップリングは、キャリア密度状態に左右される。したがって、２つのキャリア密度状態の切り替えが、第２の強磁性層の磁化の方向も変化させる。
【００１１】
たとえば、第２のスペーサ層、すなわち抵抗切り替え材料を備える層の厚さは、第１の状態から第２の状態への、またはその逆の、キャリア密度の変化によって、第２の強磁性層と第３の強磁性層との間の有効磁気交換カップリングが、強磁性（すなわち、並列磁化を好む）から反強磁性（逆並列磁化を好む）へ、またはその逆に変化するように、選択することができる。
【００１２】
本発明の実施形態によれば、「書き込み」プロセスは、第２の強磁性層が「軟質」となるように選択された場合、すなわち、その磁化方向を変更するために必要な磁場が、第１および第２の状態における第２と第３の強磁性層の磁化間全体のカップリングよりも小さい場合、達成可能である。
【００１３】
したがって、最先端のＭＴＪメモリ・セルとは対照的に、「書き込み」動作のために磁場および高電流を印加する必要がない。わずかな電流およびわずかなエネルギーのみが必要である。これは、メモリ・デバイスのエネルギー消費にとって有利なだけではなく、より高密度で良好なスケーラブルＲＡＭをも可能にする。現在市販されているＭＲＡＭ技術は、スケール変更が困難であり、セル・サイズ面積が約２５Ｆ２と大きく、ここでＦはフィーチャ（feature）・サイズである。本発明の手法により、この技術は、コンピュータの主メモリまたはＣＰＵキャッシュなどのための高速アプリケーションにとっても、より魅力的になってきている。
【００１４】
抵抗切り替え材料にとって好適かつ好ましいクラスの材料は遷移金属酸化物であり、ここで電気信号によって変更されるイオン濃度は酸素濃度である。次に、酸素欠損（oxygen vacancies）の移動によるイオン濃度の変更について説明する。特に、いわゆる被フィリング制御金属・絶縁体転移（filling-controlled metal-insulatortransition）を示す材料が、遷移金属酸化物の抵抗切り替え材料にとって好ましい。このクラスの材料は、ＡＢＯ３−δペロブスカイト（perovskite）を含み、Ａはアルカリ土類元素、希土類元素、またはそれらの組み合わせであり、Ｂは遷移金属元素である。例は、ランタンあるいはストロンチウムまたはその両方のチタン酸化物（Ｌａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３−δ、イットリウムあるいはカルシウムまたはその両方のチタン酸化物（Ｙ，Ｃａ）ＴｉＯ３−δ、ランタンあるいはストロンチウムまたはその両方のマンガン酸化物（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ３−δ、または、プラセオジムあるいはカルシウムまたはその両方のマンガン酸化物（Ｐｒ，Ｃａ）ＭｎＯ３−δである。本発明に有利な他の遷移金属酸化物は、バナジウムあるいはクロムまたはその両方の酸化物（Ｖ、Ｃｒ）２Ｏ３−δなどのコランダムである。有利に使用可能な他の材料は、ニッケル酸化物ＮｉＯ１−δまたはチタン酸化物ＴｉＯ１−δなどの２元遷移金属酸化物を含む。
【００１５】
２つの切り替え状態のうちの少なくとも１つにおける第２スペーサ層の抵抗切り替え材料は、好ましくは金属特性を有する。抵抗切り替え材料の合成は、両方の切り替え状態において材料が金属であるように、したがってフェルミ面が画定されるように、選択することが可能である。その後、両方の切り替え状態において、交換カップリングは、第１層と第２層の磁化の間に存在する。代替として、抵抗切り替え材料は、好ましくは２つの状態のうちの一方でのみ金属であり、本質的に、他方の状態では絶縁であるように、選択可能である。この場合、第２の強磁性層に、両方の切り替え状態における明確な磁化方向を与えるために、第２の強磁性層上で作用するためのカップリング・バイアスが発生し、こうしたカップリング・バイアスは、たとえば、反強磁性中間層への弱いカップリング、または第２と第３の強磁性層の間の静磁気カップリングなどによって、発生する。
【００１６】
また好ましくは、抵抗切り替え材料は、酸素欠損の移動度が１０−９ｃｍ２／Ｖまたはそれ以上と比較的高い材料である。
【００１７】
酸素欠損を受け入れるかまたは解放できるようにするために、抵抗切り替え材料層は、好ましくは酸素イオン導電層と接触している。このイオン導電層においても、酸素欠損の移動度は、好ましくは１０−９ｃｍ２／Ｖまたはそれ以上である。イオン導電層は、第３の強磁性層によって、または第２の強磁性層によって、形成可能である。代替として、一方の第２または第３の強磁性層と、他方の抵抗切り替え材料層との間の、薄い金属性の非磁性中間層とすることができる。
【００１８】
不揮発性メモリ・デバイスに、プログラム可能抵抗材料とも呼ばれる抵抗切り替え特性を備えた遷移金属酸化物を使用することも、すでに提案されており、たとえば米国特許第６８１５７４４号を参照されたい。こうしたメモリ・デバイスでは、異極性の電気パルスが、抵抗を低抵抗状態と高抵抗状態との間で逆方向および永続的に切り替えることができる。しかしながら、この技術に基づいたメモリ・セルは、１つのセル内およびセル間の両方で、抵抗値の大規模な統計的拡散を示すことがわかっている。耐久性も制限される。
【００１９】
プログラム可能抵抗材料に基づいたこれらの最先端の手法とは対照的に、本発明は、読み取り動作に関してプログラム可能抵抗材料の様々な抵抗値を使用せずに、書き込み動作に関してプログラム可能抵抗材料スペーサ全体にわたる強磁性層間の交換カップリングのみを使用することを提案する。
【００２０】
また、本発明に従った手法により、「読み取り」動作に関して、抵抗切り替え材料全体にわたる抵抗値の統計的拡散は無関係となる。これは、読み出し値が、第１および第２の強磁性層の磁化の相対配向に依存するが、抵抗切り替え材料の抵抗には依存しない、第１のスペーサ層全体にわたる抵抗に左右されるためである。さらに、メモリ・セルは出力／温度スパイクにさらされないため、プログラム可能抵抗材料メモリ（ＲＲＡＭ）に比べて耐久性が向上する。したがって、「読み取り」動作について考察してきた本発明に従ったメモリ・セルは、最先端のＭＴＪメモリ・セルの利点を共有する。
【００２１】
好ましくは、メモリ・セルは、垂直層スタックで２つの接点ペアを形成する、少なくとも３つの接点（または「端末」）を備えるため、結果として、第１の接点ペアは第１と第２の強磁性層間の第１のスペーサ層全体にわたる電気抵抗をテストすることが可能であり、第２の接点ペアは、第２のスペーサ層全体にわたって電圧パルスを印加することが可能である。少なくとも３つの接点のうちの第２の１つ（中間接点）は、第２の磁性層に直接接するか、または、第２の磁性層に近接して配置され、さらに第１のスペーサ層と第２のスペーサ層との間でもある、中間層に接することが可能である。
【００２２】
原則として、メモリ・セルには、書き込み信号および読み取り信号の両方について、２つの接点のみを提供することも可能である。これはたとえば、一方は第１の強磁性層に接し、他方は第２の強磁性層に接する、２本の接触線によって達成される。こうした構成では、「書き込み」信号も絶縁第１スペーサ層全体にわたって自動的に印加されるため、「読み取り」電流は、好ましくは抵抗切り替え材料においてイオンの移動を発生させないほど十分に低く、「書き込み」電圧パルスは、それよりも大幅に高い電圧を有するものでなければならない。本発明に従ったメモリ・セルの強磁性層および非磁性層は、同質である必要はないが、オプションで、それ自体が層構造からなる場合があり、たとえば２つの副層、サンドイッチ状構造、または多層などを備えることができる。一例として、磁気的に硬質の第１あるいは第３またはその両方の強磁性層は、３層のサンドイッチ、すなわち２つの強磁性層を反強磁性的に結合する薄い金属の非強磁性膜によって分離された２つの強磁性層を備えることができる。第２の強磁性層（軟質層）あるいは非磁性層またはその両方が、たとえばパーマロイ膜または複数の異なる副層をそれぞれ含む、層構造を備えることもできる。この手法により、第２の軟質強磁性層は、第２のスペーサ層に電気信号を印加することによって、第１の磁化状態と第２の磁化状態との間で逆に切り替えることが可能である。
【００２３】
本発明の他の態様は、本発明の第１の態様の諸実施形態に従った複数のメモリ・セルを備えたメモリ・デバイスに関する。メモリ・デバイスは、ＲＡＭデバイスとなるように、すなわち、あらゆるメモリ・セルが個々にアドレス指定可能となるように、配線することができる。メモリ・デバイスは、たとえば、任意の電子デバイスの高密度および高速アクセス可能ストレージ・メディア、あるいは、コンピュータ・デバイスの主メモリまたはＣＰＵキャッシュとして、使用することができる。
【００２４】
以下では、本発明の諸実施形態について添付の図面を参照しながら説明する。図面はすべて概略図であり、正確な縮尺ではない。図面では、同じ参照番号は同じかまたは対応する要素を表す。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】第１の状態における本発明に従ったメモリ・セルの層構造を示す図である
【図２】第２の状態における図１の構造を示す図である。
【図３】２つの異なるキャリア密度に関する、抵抗切り替え材料のフェルミ面のスパン・ベクトルを示す図である。
【図４】あるシナリオの、２つの異なる抵抗切り替え材料キャリア密度に関する、交換カップリング振動を示す図である。
【図５】異なるシナリオの、２つの異なる抵抗切り替え材料キャリア密度に関する、交換カップリング振動を示す図である。
【図６】異なるシナリオの、２つの異なる抵抗切り替え材料キャリア密度に関する、交換カップリング振動を示す図である。
【図７】ピン止め層および接触線を備える、メモリ・セルの変形を示す図である。
【図８】２つの強磁性層間を結合する静磁気バイアス・カップリングの原理を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図１のメモリ・セルは、第１の強磁性層１１、第２の強磁性層１２、および、例示された実施形態では第１のスペーサ層１３によって形成されるトンネル障壁を備える、磁気素子を備える。第１の強磁性層は硬質強磁性体であり、第２の強磁性層は軟質である。本書で「硬質」とは、メモリ・セルの通常動作中に存在する有効磁場（有効交換カップリング磁場を含む）が、磁化方向を逆にするには十分でないことを意味するが、「軟質」層の磁化は、通常動作中に逆にすることができる。硬質と軟質の強磁性層の相違は、たとえば、以下の手段のうちの１つ、またはそれらの組み合わせによって、達成可能である。
（ｉ）材料選択：硬質層材料は、軟質層材料よりも高い保磁度を有するように選択することができる。
（ｉｉ）磁気モーメント・エンジニアリング：硬質層は、反強磁性的に結合された複数の強磁性層を備えることが可能であり、その磁化方向は逆並列であるため、結果として合計の最終磁気モーメントは小さい。
（ｉｉｉ）反強磁性体によるピン止め：反強磁性体（Ｆｅ−Ｍｎなど）と直接接触している強磁性体層の磁化方向は、変更がより困難である（ピン止めは、それぞれの「硬質」層の磁化の長期間にわたる消失を防止するような、長期使用の観点においても有利な可能性がある）。
（ｉｖ）誘導異方性：強磁性層が何らかの格子不整合を伴って層の上部に生成される場合、磁気歪みが強磁性体の異方性に寄与する可能性がある。
（ｖ）異なる有効磁場：第１の強磁性層の場合、ピン止めは、単に第１の強磁性層を磁場にさらさないようにすることによって達成することができる。これが可能であるのは、本発明に従った手法により、書き込みプロセスに交換カップリングのみが使用され、物理的な磁場は使用されないためである。交換カップリングは極端に短距離であり、第３と第２の強磁性層間の交換カップリングが、第１の強磁性層に影響を与えることはない。
【００２７】
他の手段も可能である。強磁性層をそれぞれ「硬質」および「軟質」にする方法は、本発明にとって不可欠ではない。
【００２８】
第１および第２の強磁性層の材料、ならびにスペーサ層の材料は、たとえば、磁気トンネル接合を含む最先端のＭＲＡＭデバイスのように、任意の好適な組み合わせとなるように選択することができる。
【００２９】
図面では、磁化は矢印によって層面に並行となるように示されており、すなわち、層の異方性は平面内磁化を好むものと想定される。しかしながら本発明の原理は、平面外磁化層にも等しく良好に適用される。また、強磁性層の異方性は、２重であると想定される（すなわち、磁化は２方向間でのみ切り替え可能であると想定される）が、本発明は、他の種類の異方性でも動作する。
【００３０】
前述の磁気素子に加えて、メモリ・セルは、好ましくは第２の強磁性層よりも硬質の他の第３の強磁性層１５と、抵抗切り替え材料層１４とを備える。図１に示された第１の状態では、第２と第３の強磁性層間の全体カップリング（交換カップリングを含むが、静磁気カップリングのようなカップリング、ピンホールなどへの他の寄与も可能である）は、磁化が並列に配置されるようなものである。
【００３１】
抵抗切り替え材料層１４にとって好適かつ好ましいクラスの材料は、遷移金属酸化物であり、電気信号によって変更されるイオン濃度は酸素濃度である。電圧パルスなどの電気信号が抵抗切り替え材料層１４全体にわたって印加された場合、この層内の酸素欠損の濃度が変化する可能性がある。たとえば酸素欠損は、第３の強磁性層１５内へと拡散するか、後者によって解放される可能性がある。
【００３２】
前述のように、いわゆる被フィリング制御金属・絶縁体転移を示す材料は、抵抗切り替え材料層１４にとって好ましい。これらの材料から、たとえば高移動度の酸素イオンを備えた常磁性または反磁性の転移金属酸化物材料が選択される。その例は、ＡＢＯ３−δペロブスカイトであり、Ａはアルカリ土類元素、希土類元素、またはそれらの組み合わせであり、Ｂは、たとえば、ランタンあるいはストロンチウムまたはその両方のチタン酸化物（Ｌａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３−δ、バナジウムあるいはクロムまたはその両方の酸化物（Ｖ、Ｃｒ）２Ｏ３−δなどのコランダム、およびニッケル酸化物ＮｉＯ１−δなどの２元遷移金属酸化物といった、遷移金属元素である。たとえば酸素欠損密度の変更に関連付けられたバンド・フィリングの変更時には、これらの材料の抵抗が修正される。
【００３３】
特に好ましい材料のグループは、ランタンあるいはストロンチウムまたはその両方のチタン酸化物（Ｌａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３−δであり、これはそれらが酸素化学量論の室温抵抗に強く依存しているためである。
【００３４】
第３の強磁性層１５の場合、一般に、適切な量の酸素イオンを格納および解放可能な強磁性材料が使用できる。その例は、アルカリ土類クロム・レニウム酸化物Ａ２ＣｒＲｅＯ６、アルカリ土類鉄レニウム酸化物Ａ２ＦｅＲｅＯ６、アルカリ土類鉄モリブデン酸化物Ａ２ＦｅＭｏＯ６、およびアルカリ土類鉄タングステン酸化物Ａ２ＦｅＷＯ６であり、ここでアルカリ土類Ａは、好ましくはストロンチウム、カルシウム、またはバリウムであり、Ａ２はアルカリ土類の２つの同じかまたは２つの異なる元素を含むことができる。第３の強磁性層１５に関する他の材料例は、ランタンおよびストロンチウムのマンガン酸化物（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ３などの強磁性ペロブスカイトを含む。
【００３５】
図１（および、適用可能であれば以下の図）の構成において、第１、第２、および第３の強磁性層１１、１２、１５は接触している。「書き込み」動作の場合、図１の電圧源２によって示されるように、電圧パルスは第２の強磁性層１２と第３の強磁性層１５との間に印加される。「読み取り」動作の場合、第１のスペーサ層１３全体にわたる電気トンネル抵抗、したがって第１と第２の強磁性層の間の電気抵抗がテストされる（抵抗測定３）。導線による層スタック内での異なる層の接触はメモリ・デバイスの分野で知られており、本発明の対象ではないため、本明細書では説明しない。
【００３６】
例示された層に加えて、メモリ・セルは、接触層、化学障壁層、ピン止め層などの他の素子を含むことができる。
【００３７】
図２は、抵抗切り替え材料１４内の酸素欠損の濃度が第１の状態に比べて増加している、第２の状態におけるメモリ・セルを示す。第１の状態から第２の状態への遷移は、抵抗切り替え層１４全体にわたって電圧パルスを印加することによって誘導されたものであり、電圧は図１の電圧源によって示されるような極性を有する。永続的に電荷が変化するキャリア密度により、交換カップリングは、図１に示された第１の状態の場合とは反対方向に、第２の軟質強磁性層１２を磁化させる。
【００３８】
第１と第２の切り替え状態間の遷移は、完全に両方向性であり、すなわち反対極性の電圧パルスを印加することによって、酸素欠損は図１に示された構成に永続的に逆戻りに移動することになる。
【００３９】
第１と第２の状態間で磁化の反転を発生させる物理的効果については、図３および図４から図６を参照しながら説明する。
【００４０】
非強磁性金属層全体にわたる強磁性金属層間の交換カップリングが、スペーサ層の厚さの振動関数であるというのは、確固たる真実である。このカップリングの理論および実験によって、振動挙動はスペーサ層材料のフェルミ面の特性に帰するものであることが示された。より具体的に言えば、スペーサのフェルミ面のスパン・ベクトルが、振幅周期を決定する。たとえば、M.van Schilfgaarde、F.Herman、S.S.Parkin、およびJ.Kudrnovskyによる、Theoryof Oscillatory Exchange Coupling in Fe/(V,Cr)and Fe/(Cr,Mn)、Phys. Rev.Lett.74,4063（１９９５年）、ならびに、M.Springford編集によるElectronsat the Fermi Surface（Cambridge Univ.Press,Cambridge、１９８０年）を参照されたい。
【００４１】
図３は、還元領域（reducedzone）方式における抵抗切り替え材料層１４のフェルミ面を２次元モデルで示す。外線３１は第１の状態（図１）におけるフェルミ面を示し、内線３２は第２の状態（図２）におけるフェルミ面を示す。第２の状態で酸素欠損の密度が第１の状態に比べて上昇したことにより、キャリアの電荷密度が上昇し、したがって、還元領域方式において外線から内線へとフェルミ面がシフトする。その結果、図に示されるようにスパン・ベクトルは第１の状態よりも第２の状態の方が小さくなり、これは、第１の状態における振幅周期、すなわち波長が、第１の状態よりも第２の状態の方が長いことを意味する。
【００４２】
図４は、第２と第３の強磁性層間の交換カップリングを、２つの波長λ１（図１：第１の線４１によって表される）およびλ２（図２：第２の線４２によって表される）に関するスペーサ厚さの関数として概略的に示す。
【００４３】
当分野では通例であるように、交換カップリングの効果は仮想の磁場Ｈｅｘによって表され、磁化に与えるその効果は、交換カップリングが名前付き磁化に与える影響に対応する。
【００４４】
抵抗切り替え材料層１４、すなわち遷移金属酸化物（ＴＭＯ）の厚さｄは、図４で、一方の状態では明らかな反強磁性カップリングが存在するが、他方の状態では明らかな強磁性カップリングが存在するように、選択することが可能である。図４の破線は、こうした厚さを示す。
【００４５】
図５および図６は、材料特性あるいは「書き込み」パルス強度またはその両方が図４とは異なる変形を示すため、結果として、第１および第２の状態における波長も異なる。これらの条件下では、異なる厚さ値および異なる最大／最小交換カップリングで、抵抗切り替え材料１４にとって最適な厚さｄＴＭＯを有することが可能である。
【００４６】
図７は、図１および図２のメモリ・セルの変形を示す。第１に、交換バイアスの物理的効果によって、第１および第３の強磁性層の磁化方向をピン止めしている、反強磁性ピン止め層２１、２２が示されている。本書で前述したように、例示された構成の代わりに、反強磁性層によって第１層のみまたは第３層のみをピン止めすること、あるいは「硬質」強磁性層の磁化が確実に固定されるための他の手段を使用すること、またはその両方が可能である。
【００４７】
図１および図２の実施形態との他の相違点として、示された第２のスペーサ層に加えて、中間層１８が示されている。中間層１８も金属であり、任意の強磁性材料とすることが可能な第３の強磁性層１５の代わりに、たとえば、酸素イオンを格納するため、およびそれらを抵抗切り替え材料層１４内に解放するための、酸素イオン貯留層として働くことが可能である。この構成における交換カップリングは、抵抗切り替え材料層１４および中間層１８の両方にわたって起こることになる。
【００４８】
抵抗切り替え材料における電荷キャリア密度が、印加されるパルスまたは成長条件などの要素に決定的に依存している場合、メモリ・セルを、１つのセルおよび異なるセル間の両方で、電荷キャリア密度の変化に対して堅固であるように調整することが賢明である可能性がある。これを実行する方法の１つは、酸素移動度材料として、第１の状態では本質的に非金属であり、第２の状態でのみ金属となる材料を使用することができる。第１の状態では、本質的に、隣接する強磁性層間には交換カップリングは存在しない。加えて、たとえば静磁気カップリングによって、たとえば２つの磁化の並列配向を好む、小バイアスを提供することが可能である。たとえば２つの強磁性層について、図８に示されるように、波形の表面が存在し、スペーサ層厚さが一定である場合、並列磁化が好ましい可能性があることが知られている。その理由は、極微の鋭利な縁部などによって、図８に点線で示されるように、磁場線が強磁性層からスペーサ層へと出る場合、こうした並列構成によって磁気の流れが最適化されるためである。図のように静磁気バイアス・カップリングが発生した場合、抵抗切り替え材料層は、第２の状態における交換カップリングが広範囲の限定要素において反強磁性であるように選択することができる。切り替えプロセスは、第２と第３の強磁性層間の交換カップリングの単なるオンとオフの切り替えではなく、スイッチがオンの場合、交換カップリングは、弱い静磁気カップリングよりも優位に立つ。
【００４９】
前述の諸実施形態から逸脱する、他の変形も考察可能である。たとえば、酸素欠損が移動する遷移金属酸化物は、第２のスペーサ層にとって好ましいクラスの抵抗切り替え材料であるが、これは不可欠ではない。むしろ、その電荷キャリア密度がイオンの移動または他の効果によって影響を受ける可能性のある他の材料が、使用可能である。たとえば、酸素イオンの代わりに、水素、リチウム、または銅イオンを移動させることができる。
【００５０】
また、図に示されるように、第３の強磁性層または中間層がイオン導電層として働くことも必要ではない。図１および図２のような構成では、第３の強磁性層を酸素欠損が通らないようにすること、および、第２の強磁性層に高イオン移動度材料を選択することが、等しく可能である。
【００５１】
さらに他の変形が可能である。たとえば好ましくは、メモリ・セルは、最先端のメモリ・セルのように正確に２つの状態、「０」または「１」のデータ・ビット間で切り替え可能であるが、切り替えが２つより多くの状態間で達成される他の構成も可能である。このため、第２の強磁性層の磁化は、２つより多くの状態間で切り替え可能である。こうした可能性は、特に、第２と第３の強磁性層間での全体カップリングが、たとえば交換磁場に対して直角の有効磁場、たとえば静磁気カップリングによって説明可能な、非交換寄与によってバイアスされる場合に存在する。磁気ドメイン構造を意図的に作成することによっても、２つより多くの制御可能な磁化状態を生成することができる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）用のプログラマブル・メモリ・セルの分野であり、プログラマブル磁気抵抗メモリ・セル、およびこうしたメモリ・セルを備えたＲＡＭメモリ・デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気抵抗ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）は、たとえば米国特許第５，６４０，３４３号に開示された不揮発性メモリ技術である。この技術によれば、メモリ・セルは、たとえば異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）素子などの磁気抵抗素子、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果を示す金属多層素子、または、トンネリング磁気抵抗（ＴＭＲ）を示す磁気トンネル接合（ＭＴＪ）を備えた多層素子、を備える。
【０００３】
ＡＭＲおよびＧＭＲメモリ・セルのある種の抑制により、現行のＭＴＪベース技術は好ましく、市販のＭＲＡＭデバイスはＭＴＪメモリ・セルを組み込んでいる。
【０００４】
ＧＭＲベースおよびＴＭＲベースの両方のメモリ・セルにおいて、情報ビットは、メモリ・セル内の２つの別個の強磁性層の磁化の相対配向によって定義され、その強磁性層はスペーサ層（spacer layer）によって分離される。ＧＭＲセルにおいて、スペーサ層は非磁性金属であるが、ＴＭＲセルでは、スペーサ層は電気的に絶縁であり、１つの強磁性層から別のそれへの電流に対するトンネル障壁を構成する。たとえば、論理「１」は構成に対応する可能性があり、ここで２つの強磁性層の磁化は並列であるが、論理「０」は構成によって定義される可能性があり、ここで磁化は逆並列である、あるいはその逆もまた同様である。メモリ・セルの状態は、層面に垂直な（ＴＭＲまたはＧＭＲベースのメモリ・セル）、または層面に沿った（ＧＭＲベースのメモリ・セル）、電気抵抗を測定すること（「読み取り」動作）によって決定される。
【０００５】
２つの強磁性層のうちの一方は、明確な磁化方向を有することになる。この「硬質」磁気層（hard magnetic layer）では、磁化は、最大限でも超高磁場、すなわち、通常の動作中に印加されるよりも高い磁場によって永続的に影響を受ける場合がある。たとえば、硬質磁気層は反強磁性（ＡＦ）層に結合することができる。この硬質磁気層は、しばしば「固定強磁性」層または「ピン止め（pinned）強磁性層」とも呼ばれる。２つの強磁性層のうちの他方は、かなり効果の低い保磁力（coercivity）（ピン止めなどの層の環境の影響を含む保磁力）を有し、「軟質強磁性層」と呼ばれる。
【０００６】
「書き込み」動作の場合、軟質強磁性層の磁化を切り替えなければならない。そのため、いくつかの手法が提案されてきた。第１に、最も単純な手法は、メモリ・セルより上および下の２本の垂直接触線を通じて電流を流すことによる、軟質強磁性層の磁化方向を変更するのに十分な磁場の生成に依拠する。この手法は、最も単純である点において有利であるが、軟質強磁性層の保磁力がかなり明確である必要があり、サイズを縮小するにつれて、近隣のメモリ・セルの誤った書き込みの可能性が増加する。「書き込み」動作に関する他の手法は、同様に磁場の印加を必要とする「トグル・モード」を含み、「スピン・トルク移送（spin torque transfer）」が提案されてきたが、それらにも欠点がある。特に、提案されたすべての「書き込み」動作は、比較的大きな書き込み電流を必要とする。この「書き込み」動作の欠点は、なぜ１０年以上も前に開発されたＭＲＡＭデバイスが、これまで市場の単なるすきま製品（niche product）であったのかという理由の１つとすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第５，６４０，３４３号
【特許文献２】米国特許第６，８１５，７４４号
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】M.van Schilfgaarde、F.Herman、S.S.Parkin、およびJ.Kudrnovskyによる、Theory of Oscillatory ExchangeCoupling in Fe/(V,Cr)and Fe/(Cr,Mn)、Phys. Rev.Lett.74,4063（１９９５年）
【非特許文献２】M.Springford編集によるElectrons at the FermiSurface(Cambridge Univ.Press,Cambridge、１９８０年）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来技術のＭＲＡＭメモリ・セルの欠点を克服し、とりわけ、従来技術のＭＲＡＭメモリ・セルと比較して「書き込み」動作を改良可能とした、ＭＲＡＭメモリ・セルを提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の態様に従ったメモリ・セルは、その磁化の相対配向がデータ・ビットを定義する、第１および第２の強磁性層を含む磁気素子を備え、第１および第２の強磁性層は、非強磁性の、好ましくは電気的に絶縁の、スペーサ層によって分離されている。データ・ビットは、磁気ＲＡＭの分野で知られているように、たとえば、磁気素子全体にわたる、好ましくは層面に垂直の電気抵抗を測定することによって、読み出しが可能である。磁気素子に加えて、メモリ・セルは、その磁化方向が明確である（すなわち、メモリ・セルの動作中、磁化方向は固定される）、他の第３の強磁性層と、印加される電気的電圧信号によってイオン濃度を変化させることにより、そのキャリア密度が変更可能である、抵抗切り替え材料と、を備える。これにより、キャリア密度を、第１の状態と第２の状態との間で切り替えることができる。第２と第３の強磁性層の間の有効交換カップリングは、キャリア密度状態に左右される。したがって、２つのキャリア密度状態の切り替えが、第２の強磁性層の磁化の方向も変化させる。
【００１１】
たとえば、第２のスペーサ層、すなわち抵抗切り替え材料を備える層の厚さは、第１の状態から第２の状態への、またはその逆の、キャリア密度の変化によって、第２の強磁性層と第３の強磁性層との間の有効磁気交換カップリングが、強磁性（すなわち、並列磁化を好む）から反強磁性（逆並列磁化を好む）へ、またはその逆に変化するように、選択することができる。
【００１２】
本発明の実施形態によれば、「書き込み」プロセスは、第２の強磁性層が「軟質」となるように選択された場合、すなわち、その磁化方向を変更するために必要な磁場が、第１および第２の状態における第２と第３の強磁性層の磁化間全体のカップリングよりも小さい場合、達成可能である。
【００１３】
したがって、最先端のＭＴＪメモリ・セルとは対照的に、「書き込み」動作のために磁場および高電流を印加する必要がない。わずかな電流およびわずかなエネルギーのみが必要である。これは、メモリ・デバイスのエネルギー消費にとって有利なだけではなく、より高密度で良好なスケーラブルＲＡＭをも可能にする。現在市販されているＭＲＡＭ技術は、スケール変更が困難であり、セル・サイズ面積が約２５Ｆ２と大きく、ここでＦはフィーチャ（feature）・サイズである。本発明の手法により、この技術は、コンピュータの主メモリまたはＣＰＵキャッシュなどのための高速アプリケーションにとっても、より魅力的になってきている。
【００１４】
抵抗切り替え材料にとって好適かつ好ましいクラスの材料は遷移金属酸化物であり、ここで電気信号によって変更されるイオン濃度は酸素濃度である。次に、酸素欠損（oxygen vacancies）の移動によるイオン濃度の変更について説明する。特に、いわゆる被フィリング制御金属・絶縁体転移（filling-controlled metal-insulatortransition）を示す材料が、遷移金属酸化物の抵抗切り替え材料にとって好ましい。このクラスの材料は、ＡＢＯ３−δペロブスカイト（perovskite）を含み、Ａはアルカリ土類元素、希土類元素、またはそれらの組み合わせであり、Ｂは遷移金属元素である。例は、ランタンあるいはストロンチウムまたはその両方のチタン酸化物（Ｌａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３−δ、イットリウムあるいはカルシウムまたはその両方のチタン酸化物（Ｙ，Ｃａ）ＴｉＯ３−δ、ランタンあるいはストロンチウムまたはその両方のマンガン酸化物（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ３−δ、または、プラセオジムあるいはカルシウムまたはその両方のマンガン酸化物（Ｐｒ，Ｃａ）ＭｎＯ３−δである。本発明に有利な他の遷移金属酸化物は、バナジウムあるいはクロムまたはその両方の酸化物（Ｖ、Ｃｒ）２Ｏ３−δなどのコランダムである。有利に使用可能な他の材料は、ニッケル酸化物ＮｉＯ１−δまたはチタン酸化物ＴｉＯ１−δなどの２元遷移金属酸化物を含む。
【００１５】
２つの切り替え状態のうちの少なくとも１つにおける第２スペーサ層の抵抗切り替え材料は、好ましくは金属特性を有する。抵抗切り替え材料の合成は、両方の切り替え状態において材料が金属であるように、したがってフェルミ面が画定されるように、選択することが可能である。その後、両方の切り替え状態において、交換カップリングは、第１層と第２層の磁化の間に存在する。代替として、抵抗切り替え材料は、好ましくは２つの状態のうちの一方でのみ金属であり、本質的に、他方の状態では絶縁であるように、選択可能である。この場合、第２の強磁性層に、両方の切り替え状態における明確な磁化方向を与えるために、第２の強磁性層上で作用するためのカップリング・バイアスが発生し、こうしたカップリング・バイアスは、たとえば、反強磁性中間層への弱いカップリング、または第２と第３の強磁性層の間の静磁気カップリングなどによって、発生する。
【００１６】
また好ましくは、抵抗切り替え材料は、酸素欠損の移動度が１０−９ｃｍ２／Ｖまたはそれ以上と比較的高い材料である。
【００１７】
酸素欠損を受け入れるかまたは解放できるようにするために、抵抗切り替え材料層は、好ましくは酸素イオン導電層と接触している。このイオン導電層においても、酸素欠損の移動度は、好ましくは１０−９ｃｍ２／Ｖまたはそれ以上である。イオン導電層は、第３の強磁性層によって、または第２の強磁性層によって、形成可能である。代替として、一方の第２または第３の強磁性層と、他方の抵抗切り替え材料層との間の、薄い金属性の非磁性中間層とすることができる。
【００１８】
不揮発性メモリ・デバイスに、プログラム可能抵抗材料とも呼ばれる抵抗切り替え特性を備えた遷移金属酸化物を使用することも、すでに提案されており、たとえば米国特許第６８１５７４４号を参照されたい。こうしたメモリ・デバイスでは、異極性の電気パルスが、抵抗を低抵抗状態と高抵抗状態との間で逆方向および永続的に切り替えることができる。しかしながら、この技術に基づいたメモリ・セルは、１つのセル内およびセル間の両方で、抵抗値の大規模な統計的拡散を示すことがわかっている。耐久性も制限される。
【００１９】
プログラム可能抵抗材料に基づいたこれらの最先端の手法とは対照的に、本発明は、読み取り動作に関してプログラム可能抵抗材料の様々な抵抗値を使用せずに、書き込み動作に関してプログラム可能抵抗材料スペーサ全体にわたる強磁性層間の交換カップリングのみを使用することを提案する。
【００２０】
また、本発明に従った手法により、「読み取り」動作に関して、抵抗切り替え材料全体にわたる抵抗値の統計的拡散は無関係となる。これは、読み出し値が、第１および第２の強磁性層の磁化の相対配向に依存するが、抵抗切り替え材料の抵抗には依存しない、第１のスペーサ層全体にわたる抵抗に左右されるためである。さらに、メモリ・セルは出力／温度スパイクにさらされないため、プログラム可能抵抗材料メモリ（ＲＲＡＭ）に比べて耐久性が向上する。したがって、「読み取り」動作について考察してきた本発明に従ったメモリ・セルは、最先端のＭＴＪメモリ・セルの利点を共有する。
【００２１】
好ましくは、メモリ・セルは、垂直層スタックで２つの接点ペアを形成する、少なくとも３つの接点（または「端末」）を備えるため、結果として、第１の接点ペアは第１と第２の強磁性層間の第１のスペーサ層全体にわたる電気抵抗をテストすることが可能であり、第２の接点ペアは、第２のスペーサ層全体にわたって電圧パルスを印加することが可能である。少なくとも３つの接点のうちの第２の１つ（中間接点）は、第２の磁性層に直接接するか、または、第２の磁性層に近接して配置され、さらに第１のスペーサ層と第２のスペーサ層との間でもある、中間層に接することが可能である。
【００２２】
原則として、メモリ・セルには、書き込み信号および読み取り信号の両方について、２つの接点のみを提供することも可能である。これはたとえば、一方は第１の強磁性層に接し、他方は第２の強磁性層に接する、２本の接触線によって達成される。こうした構成では、「書き込み」信号も絶縁第１スペーサ層全体にわたって自動的に印加されるため、「読み取り」電流は、好ましくは抵抗切り替え材料においてイオンの移動を発生させないほど十分に低く、「書き込み」電圧パルスは、それよりも大幅に高い電圧を有するものでなければならない。本発明に従ったメモリ・セルの強磁性層および非磁性層は、同質である必要はないが、オプションで、それ自体が層構造からなる場合があり、たとえば２つの副層、サンドイッチ状構造、または多層などを備えることができる。一例として、磁気的に硬質の第１あるいは第３またはその両方の強磁性層は、３層のサンドイッチ、すなわち２つの強磁性層を反強磁性的に結合する薄い金属の非強磁性膜によって分離された２つの強磁性層を備えることができる。第２の強磁性層（軟質層）あるいは非磁性層またはその両方が、たとえばパーマロイ膜または複数の異なる副層をそれぞれ含む、層構造を備えることもできる。この手法により、第２の軟質強磁性層は、第２のスペーサ層に電気信号を印加することによって、第１の磁化状態と第２の磁化状態との間で逆に切り替えることが可能である。
【００２３】
本発明の他の態様は、本発明の第１の態様の諸実施形態に従った複数のメモリ・セルを備えたメモリ・デバイスに関する。メモリ・デバイスは、ＲＡＭデバイスとなるように、すなわち、あらゆるメモリ・セルが個々にアドレス指定可能となるように、配線することができる。メモリ・デバイスは、たとえば、任意の電子デバイスの高密度および高速アクセス可能ストレージ・メディア、あるいは、コンピュータ・デバイスの主メモリまたはＣＰＵキャッシュとして、使用することができる。
【００２４】
以下では、本発明の諸実施形態について添付の図面を参照しながら説明する。図面はすべて概略図であり、正確な縮尺ではない。図面では、同じ参照番号は同じかまたは対応する要素を表す。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】第１の状態における本発明に従ったメモリ・セルの層構造を示す図である
【図２】第２の状態における図１の構造を示す図である。
【図３】２つの異なるキャリア密度に関する、抵抗切り替え材料のフェルミ面のスパン・ベクトルを示す図である。
【図４】あるシナリオの、２つの異なる抵抗切り替え材料キャリア密度に関する、交換カップリング振動を示す図である。
【図５】異なるシナリオの、２つの異なる抵抗切り替え材料キャリア密度に関する、交換カップリング振動を示す図である。
【図６】異なるシナリオの、２つの異なる抵抗切り替え材料キャリア密度に関する、交換カップリング振動を示す図である。
【図７】ピン止め層および接触線を備える、メモリ・セルの変形を示す図である。
【図８】２つの強磁性層間を結合する静磁気バイアス・カップリングの原理を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図１のメモリ・セルは、第１の強磁性層１１、第２の強磁性層１２、および、例示された実施形態では第１のスペーサ層１３によって形成されるトンネル障壁を備える、磁気素子を備える。第１の強磁性層は硬質強磁性体であり、第２の強磁性層は軟質である。本書で「硬質」とは、メモリ・セルの通常動作中に存在する有効磁場（有効交換カップリング磁場を含む）が、磁化方向を逆にするには十分でないことを意味するが、「軟質」層の磁化は、通常動作中に逆にすることができる。硬質と軟質の強磁性層の相違は、たとえば、以下の手段のうちの１つ、またはそれらの組み合わせによって、達成可能である。
（ｉ）材料選択：硬質層材料は、軟質層材料よりも高い保磁度を有するように選択することができる。
（ｉｉ）磁気モーメント・エンジニアリング：硬質層は、反強磁性的に結合された複数の強磁性層を備えることが可能であり、その磁化方向は逆並列であるため、結果として合計の最終磁気モーメントは小さい。
（ｉｉｉ）反強磁性体によるピン止め：反強磁性体（Ｆｅ−Ｍｎなど）と直接接触している強磁性体層の磁化方向は、変更がより困難である（ピン止めは、それぞれの「硬質」層の磁化の長期間にわたる消失を防止するような、長期使用の観点においても有利な可能性がある）。
（ｉｖ）誘導異方性：強磁性層が何らかの格子不整合を伴って層の上部に生成される場合、磁気歪みが強磁性体の異方性に寄与する可能性がある。
（ｖ）異なる有効磁場：第１の強磁性層の場合、ピン止めは、単に第１の強磁性層を磁場にさらさないようにすることによって達成することができる。これが可能であるのは、本発明に従った手法により、書き込みプロセスに交換カップリングのみが使用され、物理的な磁場は使用されないためである。交換カップリングは極端に短距離であり、第３と第２の強磁性層間の交換カップリングが、第１の強磁性層に影響を与えることはない。
【００２７】
他の手段も可能である。強磁性層をそれぞれ「硬質」および「軟質」にする方法は、本発明にとって不可欠ではない。
【００２８】
第１および第２の強磁性層の材料、ならびにスペーサ層の材料は、たとえば、磁気トンネル接合を含む最先端のＭＲＡＭデバイスのように、任意の好適な組み合わせとなるように選択することができる。
【００２９】
図面では、磁化は矢印によって層面に並行となるように示されており、すなわち、層の異方性は平面内磁化を好むものと想定される。しかしながら本発明の原理は、平面外磁化層にも等しく良好に適用される。また、強磁性層の異方性は、２重であると想定される（すなわち、磁化は２方向間でのみ切り替え可能であると想定される）が、本発明は、他の種類の異方性でも動作する。
【００３０】
前述の磁気素子に加えて、メモリ・セルは、好ましくは第２の強磁性層よりも硬質の他の第３の強磁性層１５と、抵抗切り替え材料層１４とを備える。図１に示された第１の状態では、第２と第３の強磁性層間の全体カップリング（交換カップリングを含むが、静磁気カップリングのようなカップリング、ピンホールなどへの他の寄与も可能である）は、磁化が並列に配置されるようなものである。
【００３１】
抵抗切り替え材料層１４にとって好適かつ好ましいクラスの材料は、遷移金属酸化物であり、電気信号によって変更されるイオン濃度は酸素濃度である。電圧パルスなどの電気信号が抵抗切り替え材料層１４全体にわたって印加された場合、この層内の酸素欠損の濃度が変化する可能性がある。たとえば酸素欠損は、第３の強磁性層１５内へと拡散するか、後者によって解放される可能性がある。
【００３２】
前述のように、いわゆる被フィリング制御金属・絶縁体転移を示す材料は、抵抗切り替え材料層１４にとって好ましい。これらの材料から、たとえば高移動度の酸素イオンを備えた常磁性または反磁性の転移金属酸化物材料が選択される。その例は、ＡＢＯ３−δペロブスカイトであり、Ａはアルカリ土類元素、希土類元素、またはそれらの組み合わせであり、Ｂは、たとえば、ランタンあるいはストロンチウムまたはその両方のチタン酸化物（Ｌａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３−δ、バナジウムあるいはクロムまたはその両方の酸化物（Ｖ、Ｃｒ）２Ｏ３−δなどのコランダム、およびニッケル酸化物ＮｉＯ１−δなどの２元遷移金属酸化物といった、遷移金属元素である。たとえば酸素欠損密度の変更に関連付けられたバンド・フィリングの変更時には、これらの材料の抵抗が修正される。
【００３３】
特に好ましい材料のグループは、ランタンあるいはストロンチウムまたはその両方のチタン酸化物（Ｌａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３−δであり、これはそれらが酸素化学量論の室温抵抗に強く依存しているためである。
【００３４】
第３の強磁性層１５の場合、一般に、適切な量の酸素イオンを格納および解放可能な強磁性材料が使用できる。その例は、アルカリ土類クロム・レニウム酸化物Ａ２ＣｒＲｅＯ６、アルカリ土類鉄レニウム酸化物Ａ２ＦｅＲｅＯ６、アルカリ土類鉄モリブデン酸化物Ａ２ＦｅＭｏＯ６、およびアルカリ土類鉄タングステン酸化物Ａ２ＦｅＷＯ６であり、ここでアルカリ土類Ａは、好ましくはストロンチウム、カルシウム、またはバリウムであり、Ａ２はアルカリ土類の２つの同じかまたは２つの異なる元素を含むことができる。第３の強磁性層１５に関する他の材料例は、ランタンおよびストロンチウムのマンガン酸化物（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ３などの強磁性ペロブスカイトを含む。
【００３５】
図１（および、適用可能であれば以下の図）の構成において、第１、第２、および第３の強磁性層１１、１２、１５は接触している。「書き込み」動作の場合、図１の電圧源２によって示されるように、電圧パルスは第２の強磁性層１２と第３の強磁性層１５との間に印加される。「読み取り」動作の場合、第１のスペーサ層１３全体にわたる電気トンネル抵抗、したがって第１と第２の強磁性層の間の電気抵抗がテストされる（抵抗測定３）。導線による層スタック内での異なる層の接触はメモリ・デバイスの分野で知られており、本発明の対象ではないため、本明細書では説明しない。
【００３６】
例示された層に加えて、メモリ・セルは、接触層、化学障壁層、ピン止め層などの他の素子を含むことができる。
【００３７】
図２は、抵抗切り替え材料１４内の酸素欠損の濃度が第１の状態に比べて増加している、第２の状態におけるメモリ・セルを示す。第１の状態から第２の状態への遷移は、抵抗切り替え層１４全体にわたって電圧パルスを印加することによって誘導されたものであり、電圧は図１の電圧源によって示されるような極性を有する。永続的に電荷が変化するキャリア密度により、交換カップリングは、図１に示された第１の状態の場合とは反対方向に、第２の軟質強磁性層１２を磁化させる。
【００３８】
第１と第２の切り替え状態間の遷移は、完全に両方向性であり、すなわち反対極性の電圧パルスを印加することによって、酸素欠損は図１に示された構成に永続的に逆戻りに移動することになる。
【００３９】
第１と第２の状態間で磁化の反転を発生させる物理的効果については、図３および図４から図６を参照しながら説明する。
【００４０】
非強磁性金属層全体にわたる強磁性金属層間の交換カップリングが、スペーサ層の厚さの振動関数であるというのは、確固たる真実である。このカップリングの理論および実験によって、振動挙動はスペーサ層材料のフェルミ面の特性に帰するものであることが示された。より具体的に言えば、スペーサのフェルミ面のスパン・ベクトルが、振幅周期を決定する。たとえば、M.van Schilfgaarde、F.Herman、S.S.Parkin、およびJ.Kudrnovskyによる、Theoryof Oscillatory Exchange Coupling in Fe/(V,Cr)and Fe/(Cr,Mn)、Phys. Rev.Lett.74,4063（１９９５年）、ならびに、M.Springford編集によるElectronsat the Fermi Surface（Cambridge Univ.Press,Cambridge、１９８０年）を参照されたい。
【００４１】
図３は、還元領域（reducedzone）方式における抵抗切り替え材料層１４のフェルミ面を２次元モデルで示す。外線３１は第１の状態（図１）におけるフェルミ面を示し、内線３２は第２の状態（図２）におけるフェルミ面を示す。第２の状態で酸素欠損の密度が第１の状態に比べて上昇したことにより、キャリアの電荷密度が上昇し、したがって、還元領域方式において外線から内線へとフェルミ面がシフトする。その結果、図に示されるようにスパン・ベクトルは第１の状態よりも第２の状態の方が小さくなり、これは、第１の状態における振幅周期、すなわち波長が、第１の状態よりも第２の状態の方が長いことを意味する。
【００４２】
図４は、第２と第３の強磁性層間の交換カップリングを、２つの波長λ１（図１：第１の線４１によって表される）およびλ２（図２：第２の線４２によって表される）に関するスペーサ厚さの関数として概略的に示す。
【００４３】
当分野では通例であるように、交換カップリングの効果は仮想の磁場Ｈｅｘによって表され、磁化に与えるその効果は、交換カップリングが名前付き磁化に与える影響に対応する。
【００４４】
抵抗切り替え材料層１４、すなわち遷移金属酸化物（ＴＭＯ）の厚さｄは、図４で、一方の状態では明らかな反強磁性カップリングが存在するが、他方の状態では明らかな強磁性カップリングが存在するように、選択することが可能である。図４の破線は、こうした厚さを示す。
【００４５】
図５および図６は、材料特性あるいは「書き込み」パルス強度またはその両方が図４とは異なる変形を示すため、結果として、第１および第２の状態における波長も異なる。これらの条件下では、異なる厚さ値および異なる最大／最小交換カップリングで、抵抗切り替え材料１４にとって最適な厚さｄＴＭＯを有することが可能である。
【００４６】
図７は、図１および図２のメモリ・セルの変形を示す。第１に、交換バイアスの物理的効果によって、第１および第３の強磁性層の磁化方向をピン止めしている、反強磁性ピン止め層２１、２２が示されている。本書で前述したように、例示された構成の代わりに、反強磁性層によって第１層のみまたは第３層のみをピン止めすること、あるいは「硬質」強磁性層の磁化が確実に固定されるための他の手段を使用すること、またはその両方が可能である。
【００４７】
図１および図２の実施形態との他の相違点として、示された第２のスペーサ層に加えて、中間層１８が示されている。中間層１８も金属であり、任意の強磁性材料とすることが可能な第３の強磁性層１５の代わりに、たとえば、酸素イオンを格納するため、およびそれらを抵抗切り替え材料層１４内に解放するための、酸素イオン貯留層として働くことが可能である。この構成における交換カップリングは、抵抗切り替え材料層１４および中間層１８の両方にわたって起こることになる。
【００４８】
抵抗切り替え材料における電荷キャリア密度が、印加されるパルスまたは成長条件などの要素に決定的に依存している場合、メモリ・セルを、１つのセルおよび異なるセル間の両方で、電荷キャリア密度の変化に対して堅固であるように調整することが賢明である可能性がある。これを実行する方法の１つは、酸素移動度材料として、第１の状態では本質的に非金属であり、第２の状態でのみ金属となる材料を使用することができる。第１の状態では、本質的に、隣接する強磁性層間には交換カップリングは存在しない。加えて、たとえば静磁気カップリングによって、たとえば２つの磁化の並列配向を好む、小バイアスを提供することが可能である。たとえば２つの強磁性層について、図８に示されるように、波形の表面が存在し、スペーサ層厚さが一定である場合、並列磁化が好ましい可能性があることが知られている。その理由は、極微の鋭利な縁部などによって、図８に点線で示されるように、磁場線が強磁性層からスペーサ層へと出る場合、こうした並列構成によって磁気の流れが最適化されるためである。図のように静磁気バイアス・カップリングが発生した場合、抵抗切り替え材料層は、第２の状態における交換カップリングが広範囲の限定要素において反強磁性であるように選択することができる。切り替えプロセスは、第２と第３の強磁性層間の交換カップリングの単なるオンとオフの切り替えではなく、スイッチがオンの場合、交換カップリングは、弱い静磁気カップリングよりも優位に立つ。
【００４９】
前述の諸実施形態から逸脱する、他の変形も考察可能である。たとえば、酸素欠損が移動する遷移金属酸化物は、第２のスペーサ層にとって好ましいクラスの抵抗切り替え材料であるが、これは不可欠ではない。むしろ、その電荷キャリア密度がイオンの移動または他の効果によって影響を受ける可能性のある他の材料が、使用可能である。たとえば、酸素イオンの代わりに、水素、リチウム、または銅イオンを移動させることができる。
【００５０】
また、図に示されるように、第３の強磁性層または中間層がイオン導電層として働くことも必要ではない。図１および図２のような構成では、第３の強磁性層を酸素欠損が通らないようにすること、および、第２の強磁性層に高イオン移動度材料を選択することが、等しく可能である。
【００５１】
さらに他の変形が可能である。たとえば好ましくは、メモリ・セルは、最先端のメモリ・セルのように正確に２つの状態、「０」または「１」のデータ・ビット間で切り替え可能であるが、切り替えが２つより多くの状態間で達成される他の構成も可能である。このため、第２の強磁性層の磁化は、２つより多くの状態間で切り替え可能である。こうした可能性は、特に、第２と第３の強磁性層間での全体カップリングが、たとえば交換磁場に対して直角の有効磁場、たとえば静磁気カップリングによって説明可能な、非交換寄与によってバイアスされる場合に存在する。磁気ドメイン構造を意図的に作成することによっても、２つより多くの制御可能な磁化状態を生成することができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の強磁性層（１１）および第２の強磁性層（１２）を備える不揮発性メモリ・セルであって、前記第１および第２の強磁性層（１１、１２）は非磁性スペーサ層（１３）によって分離され、前記第１の強磁性層は定義された磁化方向を有し、前記第１および第２の強磁性層の前記磁化方向の相対配向は格納された情報の値を定義するものであって、定義された磁化方向を備える第３の強磁性層（１５）と、前記第２の強磁性層および前記第３の強磁性層との間の抵抗切り替え材料（１４）とによって特徴付けられ、前記抵抗切り替え材料の電荷キャリア密度は、印加された電気的な電圧信号によって異なるキャリア密度状態間で逆方向に切り替え可能であり、異なるキャリア密度状態が前記第２の強磁性層および前記第３の強磁性層の間で異なる有効磁気交換カップリングを発生させ、それによって、前記第２の強磁性層の異なる磁化方向を発生させることを特徴とする、不揮発性メモリ・セル。
【請求項２】
前記メモリ・セルのうちの少なくとも１つの層が、前記抵抗切り替え材料からイオンを受け入れること、および前記抵抗切り替え材料内へイオンを解放することが可能な、イオン導電層であり、前記電圧信号の極性に応じて、前記イオン導電層が前記抵抗切り替え材料と接触する、請求項１に記載のメモリ・セル。
【請求項３】
前記イオン導電層が、前記第３の強磁性層（１４）、前記第２の強磁性層（１２）、および金属中間層（１８）のうちの少なくとも１つである、請求項２に記載のメモリ・セル。
【請求項４】
前記抵抗切り替え材料が遷移金属酸化物である、前記請求項のいずれか一項に記載のメモリ・セル。
【請求項５】
前記遷移金属酸化物がフィリング制御金属・絶縁体転移を備える、請求項４に記載のメモリ・セル。
【請求項６】
前記抵抗切り替え材料が、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、および銅のうちの、少なくとも１つを備える酸化物を備える、請求項５に記載のメモリ・セル。
【請求項７】
前記抵抗切り替え材料が、ＴｉＯ１−δ、Ｖ２Ｏ３−δ、ＮｉＯ１−δ、Ｃｒ２Ｏ３−δ、および（Ｌａ，Ｓｒ）ＢＯ３−δ、のうちの１つであって、Ｂはたとえばチタンなどの遷移金属、δは第１および第２の状態で異なる０≦δ＜１の数である、請求項６に記載のメモリ・セル。
【請求項８】
前記イオン導電層の材料が少なくとも１０−９ｃｍ２／Ｖの酸素欠損移動度を示す、請求項２または３および請求項４から７のいずれか一項に記載のメモリ・セル。
【請求項９】
前記抵抗切り替え材料が少なくとも１０−９ｃｍ２／Ｖの酸素欠損移動度を示す、請求項４から８のいずれか一項に記載のメモリ・セル。
【請求項１０】
第１、第２、および第３の接点を備え、前記第１のスペーサ層全体にわたるトンネル抵抗が、前記第１および前記第２の接点間に電流を通すことによって測定可能であり、前記第２および前記第３の接点間に電圧パルスを印加可能である、前記請求項のいずれか一項に記載のメモリ・セル。
【請求項１１】
前記請求項のいずれか一項に従った複数のメモリ・セルを備える、メモリ・デバイス。
【請求項１２】
前記メモリ・セルの前記第１、第２、および第３の接点を接触させるための接触線を備える、請求項１０に従った複数のメモリ・セルを備える請求項１１に記載のメモリ・デバイス。
【請求項１】
第１の強磁性層（１１）および第２の強磁性層（１２）を備える不揮発性メモリ・セルであって、前記第１および第２の強磁性層（１１、１２）は非磁性スペーサ層（１３）によって分離され、前記第１の強磁性層は定義された磁化方向を有し、前記第１および第２の強磁性層の前記磁化方向の相対配向は格納された情報の値を定義するものであって、定義された磁化方向を備える第３の強磁性層（１５）と、前記第２の強磁性層および前記第３の強磁性層との間の抵抗切り替え材料（１４）とによって特徴付けられ、前記抵抗切り替え材料の電荷キャリア密度は、印加された電気的な電圧信号によって異なるキャリア密度状態間で逆方向に切り替え可能であり、異なるキャリア密度状態が前記第２の強磁性層および前記第３の強磁性層の間で異なる有効磁気交換カップリングを発生させ、それによって、前記第２の強磁性層の異なる磁化方向を発生させることを特徴とする、不揮発性メモリ・セル。
【請求項２】
前記メモリ・セルのうちの少なくとも１つの層が、前記抵抗切り替え材料からイオンを受け入れること、および前記抵抗切り替え材料内へイオンを解放することが可能な、イオン導電層であり、前記電圧信号の極性に応じて、前記イオン導電層が前記抵抗切り替え材料と接触する、請求項１に記載のメモリ・セル。
【請求項３】
前記イオン導電層が、前記第３の強磁性層（１４）、前記第２の強磁性層（１２）、および金属中間層（１８）のうちの少なくとも１つである、請求項２に記載のメモリ・セル。
【請求項４】
前記抵抗切り替え材料が遷移金属酸化物である、前記請求項のいずれか一項に記載のメモリ・セル。
【請求項５】
前記遷移金属酸化物がフィリング制御金属・絶縁体転移を備える、請求項４に記載のメモリ・セル。
【請求項６】
前記抵抗切り替え材料が、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、および銅のうちの、少なくとも１つを備える酸化物を備える、請求項５に記載のメモリ・セル。
【請求項７】
前記抵抗切り替え材料が、ＴｉＯ１−δ、Ｖ２Ｏ３−δ、ＮｉＯ１−δ、Ｃｒ２Ｏ３−δ、および（Ｌａ，Ｓｒ）ＢＯ３−δ、のうちの１つであって、Ｂはたとえばチタンなどの遷移金属、δは第１および第２の状態で異なる０≦δ＜１の数である、請求項６に記載のメモリ・セル。
【請求項８】
前記イオン導電層の材料が少なくとも１０−９ｃｍ２／Ｖの酸素欠損移動度を示す、請求項２または３および請求項４から７のいずれか一項に記載のメモリ・セル。
【請求項９】
前記抵抗切り替え材料が少なくとも１０−９ｃｍ２／Ｖの酸素欠損移動度を示す、請求項４から８のいずれか一項に記載のメモリ・セル。
【請求項１０】
第１、第２、および第３の接点を備え、前記第１のスペーサ層全体にわたるトンネル抵抗が、前記第１および前記第２の接点間に電流を通すことによって測定可能であり、前記第２および前記第３の接点間に電圧パルスを印加可能である、前記請求項のいずれか一項に記載のメモリ・セル。
【請求項１１】
前記請求項のいずれか一項に従った複数のメモリ・セルを備える、メモリ・デバイス。
【請求項１２】
前記メモリ・セルの前記第１、第２、および第３の接点を接触させるための接触線を備える、請求項１０に従った複数のメモリ・セルを備える請求項１１に記載のメモリ・デバイス。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公表番号】特表２０１１−５１２０２４（Ｐ２０１１−５１２０２４Ａ）
【公表日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５４２７１８（Ｐ２０１０−５４２７１８）
【出願日】平成２１年１月１４日（２００９．１．１４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＩＢ２００９／０５０１３０
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０９０６０５
【国際公開日】平成２１年７月２３日（２００９．７．２３）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．ＲＲＡＭ
【出願人】（３９０００９５３１）インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション (4,084)
【氏名又は名称原語表記】ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＢＵＳＩＮＥＳＳ ＭＡＳＣＨＩＮＥＳ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月１４日（２００９．１．１４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＩＢ２００９／０５０１３０
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０９０６０５
【国際公開日】平成２１年７月２３日（２００９．７．２３）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．ＲＲＡＭ
【出願人】（３９０００９５３１）インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション (4,084)
【氏名又は名称原語表記】ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＢＵＳＩＮＥＳＳ ＭＡＳＣＨＩＮＥＳ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【Ｆターム（参考）】
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