JP2006165265A - Storage element and memory - Google Patents
Storage element and memory Download PDFInfo
- Publication number
- JP2006165265A JP2006165265A JP2004354425A JP2004354425A JP2006165265A JP 2006165265 A JP2006165265 A JP 2006165265A JP 2004354425 A JP2004354425 A JP 2004354425A JP 2004354425 A JP2004354425 A JP 2004354425A JP 2006165265 A JP2006165265 A JP 2006165265A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- magnetization
- storage
- layers
- ferromagnetic
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)
- Thin Magnetic Films (AREA)
- Semiconductor Memories (AREA)
- Hall/Mr Elements (AREA)
Abstract
Description
本発明は、強磁性層の磁化状態を情報として記憶する記憶層と、磁化の向きが固定された磁化固定層とから成り、電流を流すことにより記憶層の磁化の向きを変化させる記憶素子及びこの記憶素子を備えたメモリに係わり、不揮発メモリに適用して好適なものである。 The present invention includes a storage layer that stores the magnetization state of a ferromagnetic layer as information, and a magnetization fixed layer whose magnetization direction is fixed, and a storage element that changes the magnetization direction of the storage layer by passing an electric current. The present invention relates to a memory provided with this memory element, and is suitable for application to a nonvolatile memory.
情報通信機器、特に携帯端末等の個人用小型機器の飛躍的な普及に伴い、これを構成するメモリやロジック等の素子に対して、高集積化、高速化、低電力化等、一層の高性能化が要請されている。
特に、不揮発性メモリは、ハードディスクや光ディスクのように可動部分が存在しないので、本質的に小型化を図る上で有利である特徴を有している。
With the rapid spread of information communication devices, especially small personal devices such as portable terminals, the elements such as memory and logic that compose this device are becoming more highly integrated, faster, lower power, etc. There is a demand for higher performance.
In particular, the non-volatile memory has a feature that is essentially advantageous for miniaturization because there is no moving part like a hard disk or an optical disk.
不揮発性メモリとしては、半導体を用いたフラッシュメモリや、強誘電体を用いたFRAM(Ferro electric Random Access Memory )等が挙げられる。
しかしながら、フラッシュメモリは、書き込み速度がμ秒のオーダーと遅いため、高速なアクセスに向かないという欠点がある。
一方、FRAMにおいては、書き換え可能回数が1012〜1014と有限であるため、完全にSRAMやDRAMを置き換えるには耐久性が小さく、また強誘電体キャパシタの微細加工が難しいという問題が指摘されている。
Examples of the nonvolatile memory include a flash memory using a semiconductor and an FRAM (Ferro electric Random Access Memory) using a ferroelectric.
However, the flash memory has a drawback in that it is not suitable for high-speed access because the writing speed is as low as the order of microseconds.
On the other hand, the FRAM has a limited number of rewritable times of 10 12 to 10 14, and therefore, it is pointed out that the durability is small to completely replace the SRAM and DRAM, and that fine processing of the ferroelectric capacitor is difficult. ing.
これらの欠点がない不揮発性メモリとして注目されているのが、磁性体の磁化で情報を記録する磁気ランダム・アクセス・メモリ(MRAM)である(例えば、非特許文献1参照)。
このMRAMは、磁気モーメントの回転により記憶を行うため、書き換え可能回数が大きい。
また、アクセス時間についても非常に高速である。
A magnetic random access memory (MRAM) that records information by magnetization of a magnetic material is attracting attention as a nonvolatile memory that does not have these drawbacks (see, for example, Non-Patent Document 1).
Since this MRAM stores data by rotating the magnetic moment, the number of rewrites is large.
Also, the access time is very high.
ここで、一般的なMRAMの模式図(斜視図)を、図10に示す。
シリコン基板等の半導体基体110の素子分離層102により分離された部分に、各メモリセルを選択するための選択用トランジスタを構成する、ドレイン領域108、ソース領域107、並びにゲート電極101が、それぞれ形成されている。
また、ゲート電極101の上方には、図中前後方向に延びるワード線105が設けられている。
ドレイン領域108は、図中左右の選択用トランジスタに共通して形成されており、このドレイン領域108には、配線109が接続されている。
そして、ワード線105と、上方に配置された、図中左右方向に延びるビット線106との間に、磁化の向きが反転する記憶層を有する磁気記憶素子103が配置されている。この磁気記憶素子103は、例えば磁気トンネル接合素子(MTJ素子)により構成される。
さらに、磁気記憶素子103は、水平方向のバイパス線111及び上下方向のコンタクト層104を介して、ソース領域107に電気的に接続されている。
ワード線105及びビット線106にそれぞれ電流を流すことにより、電流磁界を磁気記憶素子103に印加して、これにより磁気記憶素子103の記憶層の磁化の向きを反転させて、情報の記録を行うことができる。
Here, a schematic diagram (perspective view) of a general MRAM is shown in FIG.
A
A
The
A
Further, the
By applying current to each of the
そして、MRAM等の磁気メモリにおいて、記録した情報を安定に保持するためには、情報を記録する磁性層(記憶層)が、一定の保磁力を有していることが必要である。
一方、記録された情報を書き換えるためには、アドレス配線にある程度の電流を流さなければならない。
ところが、MRAMを構成する素子の微細化に従い、アドレス配線も細くなるため、充分な電流が流せなくなってくる。
In order to stably hold recorded information in a magnetic memory such as MRAM, it is necessary that a magnetic layer (storage layer) for recording information has a certain coercive force.
On the other hand, in order to rewrite the recorded information, a certain amount of current must be passed through the address wiring.
However, as the elements constituting the MRAM become finer, the address wiring becomes thinner, so that a sufficient current cannot flow.
そこで、より少ない電流で磁化反転が可能な構成として、スピン注入による磁化反転を利用する構成の磁気メモリが注目されている(例えば、特許文献1参照)。
スピン注入による磁化反転とは、磁性体の中を通過してスピン偏極した電子を、他の磁性体に注入することにより、他の磁性体において磁化反転を起こさせるものである。
Therefore, attention has been paid to a magnetic memory having a configuration using magnetization reversal by spin injection as a configuration capable of reversing magnetization with a smaller current (see, for example, Patent Document 1).
Magnetization reversal by spin injection is to cause magnetization reversal in another magnetic material by injecting spin-polarized electrons that have passed through the magnetic material into another magnetic material.
例えば、巨大磁気抵抗効果素子(GMR素子)や磁気トンネル接合素子(MTJ素子)に対して、その膜面に垂直な方向に電流を流すことにより、これらの素子の少なくとも一部の磁性層の磁化の向きを反転させることができる。 For example, when a current is passed through a giant magnetoresistive element (GMR element) or a magnetic tunnel junction element (MTJ element) in a direction perpendicular to the film surface, magnetization of at least a part of the magnetic layer of these elements is performed. Can be reversed.
そして、スピン注入による磁化反転は、素子が微細化されても、少ない電流で磁化反転を実現することができる利点を有している。 Magnetization reversal by spin injection has an advantage that magnetization reversal can be realized with a small current even if the element is miniaturized.
また、上述したスピン注入による磁化反転を利用する構成の磁気メモリの模式図を図8及び図9に示す。図8は斜視図、図9は断面図である。
シリコン基板等の半導体基体60の素子分離層52により分離された部分に、各メモリセルを選択するための選択用トランジスタを構成する、ドレイン領域58、ソース領域57、並びにゲート電極51が、それぞれ形成されている。このうち、ゲート電極51は、図8中前後方向に延びるワード線を兼ねている。
ドレイン領域58は、図8中左右の選択用トランジスタに共通して形成されており、このドレイン領域58には、配線59が接続されている。
そして、ソース領域57と、上方に配置された、図8中左右方向に延びるビット線56との間に、スピン注入により磁化の向きが反転する記憶層を有する記憶素子53が配置されている。
この記憶素子53は、例えば磁気トンネル接合素子(MTJ素子)により構成される。
図中61及び62は磁性層を示しており、2層の磁性層61,62のうち、一方の磁性層を磁化の向きが固定された磁化固定層として、他方の磁性層を磁化の向きが変化する磁化自由層即ち記憶層とする。
また、記憶素子53は、ビット線56と、ソース領域57とに、それぞれ上下のコンタクト層54を介して接続されている。これにより、磁気記憶素子53に電流を流して、スピン注入により記憶層の磁化の向きを反転させることができる。
Moreover, the schematic diagram of the magnetic memory of the structure using the magnetization reversal by the spin injection mentioned above is shown in FIG.8 and FIG.9. 8 is a perspective view, and FIG. 9 is a cross-sectional view.
A
The
A
The
In the figure,
The
このようなスピン注入による磁化反転を利用する構成のメモリの場合、図10に示した一般的なMRAMと比較して、デバイス構造を単純化することができる、という特徴も有している。
また、スピン注入による磁化反転を利用することにより、外部磁界により磁化反転を行う一般的なMRAMと比較して、素子の微細化が進んでも、書き込みの電流が増大しないという利点がある。
In the case of a memory that uses such magnetization reversal by spin injection, the device structure can be simplified as compared with the general MRAM shown in FIG.
Further, by utilizing magnetization reversal by spin injection, there is an advantage that the write current does not increase even when the element is miniaturized as compared with a general MRAM in which magnetization reversal is performed by an external magnetic field.
しかしながら、素子を微細化していくと、KuV/kBTで示される磁化の熱安定性が不足して、超常磁性となり、記録された情報が保持できなくなることがある。
従って、KuV/kBTの値をある一定以上に保ちつつ、書き込み電流を低く抑制する必要がある。そのためには、スピン注入効率を向上することによって、書き込み電流を低減することが求められる。
However, when the element is miniaturized, the thermal stability of magnetization indicated by KuV / kBT is insufficient, and it becomes superparamagnetic, and recorded information may not be retained.
Therefore, it is necessary to keep the write current low while keeping the value of KuV / kBT above a certain level. For this purpose, it is required to reduce the write current by improving the spin injection efficiency.
また、読み出し信号を大きくするためには、大きな磁気抵抗変化率を確保する必要があり、そのためには記憶層の両側に接している中間層をトンネルバリア層にすることが効果的である。
この場合、バリア層の耐電圧の制限が生じるため、この点からも、スピン注入時の電流を抑制する必要がある。
In order to increase the read signal, it is necessary to secure a large magnetoresistance change rate. For this purpose, it is effective to use the intermediate layer in contact with both sides of the storage layer as a tunnel barrier layer.
In this case, since the withstand voltage of the barrier layer is limited, the current at the time of spin injection needs to be suppressed also from this point.
そこで、スピン注入時の電流を抑制するための解決策として、記憶素子を磁化固定層/中間層/記憶層/中間層/磁化固定層の積層構造として、記憶層の上下に設けた磁化固定層の磁化の向きを反対向きにした構成が提案されている(特許文献2及び非特許文献2参照)。
そして、上記特許文献2及び上記非特許文献2において、上下の磁化固定層の磁化の向きを互いに反対向きにすることにより、スピン注入効率を倍増させることが可能であることが示されている。
Therefore, as a solution to suppress the current at the time of spin injection, the storage element is a stacked structure of a fixed magnetization layer / intermediate layer / storage layer / intermediate layer / magnetization fixed layer, and a fixed magnetization layer provided above and below the storage layer. There has been proposed a configuration in which the magnetization direction of each is opposite (see Patent Document 2 and Non-Patent Document 2).
In Patent Document 2 and Non-Patent Document 2, it is shown that spin injection efficiency can be doubled by making the magnetization directions of the upper and lower magnetization fixed layers opposite to each other.
なお、上記特許文献2では、一方の中間層を非磁性金属層により形成し、他方の中間層を酸化物層(絶縁層)により形成している。 In Patent Document 2, one intermediate layer is formed of a nonmagnetic metal layer, and the other intermediate layer is formed of an oxide layer (insulating layer).
スピン注入の効率は、一般的には、下記の数1に示す式で示される。 The efficiency of spin injection is generally expressed by the following equation (1).
スピン注入効率が、中間層がトンネルバリア層であるか、或いは非磁性金属層であるかに関わらず、上記の式で表されるように、中間層を挟んでいる磁性層のスピン分極率Pのみで決まるとすれば、確かに、理論的には、上記特許文献2に記載された構造を採ることにより、スピン注入効率が倍増すると考えられる。 Regardless of whether the intermediate layer is a tunnel barrier layer or a nonmagnetic metal layer, the spin injection efficiency P of the magnetic layer sandwiching the intermediate layer is expressed by the above formula. If it is determined only by the above, it is theoretically considered that the spin injection efficiency is doubled by adopting the structure described in Patent Document 2 above.
しかしながら、上記特許文献2に記載された構造の記憶素子を実際に作製し、この記憶素子の特性を調べた結果、理論通りの結果は得られず、充分なスピン注入効率の向上が認められなかった。 However, as a result of actually producing a memory element having the structure described in Patent Document 2 and investigating the characteristics of this memory element, a theoretical result cannot be obtained and a sufficient improvement in spin injection efficiency is not recognized. It was.
上述した問題の解決のために、本発明においては、スピン注入効率を向上することにより、書き込みに要する電流値を低減することができる記憶素子、並びにこの記憶素子を有するメモリを提供するものである。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides a memory element that can reduce a current value required for writing by improving spin injection efficiency, and a memory including the memory element. .
本発明の記憶素子は、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有し、記憶層の上下に、それぞれ中間層を介して磁化固定層が設けられ、それぞれの中間層がいずれも絶縁層から成り、記憶層の上下の磁化固定層において、それぞれ記憶層に最も近い強磁性層の磁化の向きが互いに反対向きであり、積層方向に電流を流すことにより、記憶層の磁化の向きが変化して、記憶層に対して情報の記録が行われ、記憶層の上下2つの中間層の面積抵抗値が異なるものである。 The storage element of the present invention has a storage layer that holds information by the magnetization state of a magnetic material, and a fixed magnetization layer is provided above and below the storage layer via an intermediate layer, respectively, and each intermediate layer is insulated. In the magnetization fixed layers above and below the storage layer, the magnetization directions of the ferromagnetic layers closest to the storage layer are opposite to each other, and by passing a current in the stacking direction, the magnetization direction of the storage layer is As a result, information is recorded on the storage layer, and the area resistance values of the two upper and lower intermediate layers of the storage layer are different.
上述の本発明の記憶素子の構成によれば、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有し、この記憶層の上下にそれぞれ中間層を介して磁化固定層が設けられており、積層方向に電流を流すことにより、記憶層の磁化の向きが変化して、記憶層に対して情報の記録が行われるので、積層方向に電流を流してスピン注入による情報の記録を行うことができる。
また、記憶層の上下の磁化固定層において、それぞれ記憶層に最も近い強磁性層の磁化の向きが互いに反対向きであることによって、スピン注入効率を大幅に増大させることが可能になる。これにより、スピン注入により記憶層の磁化の向きを反転させるために必要な電流量(閾値電流)を低減することができる。
さらに、それぞれの中間層がいずれも絶縁層から成るため、絶縁層により偏極電子の流れ(スピン流)の減衰を抑制して維持することができる。これにより、スピン注入効率をさらに向上して、スピン注入により記憶層の磁化の向きを反転させるために必要な電流量(閾値電流)を低減することができる。
そして、記憶層の上下2つの中間層は、面積抵抗値が異なることにより、それぞれの中間層の磁気抵抗変化率が打ち消されても、記憶素子全体の磁気抵抗変化率を充分な大きさで確保することが可能になる。
According to the configuration of the above-described storage element of the present invention, the storage layer that holds information by the magnetization state of the magnetic material has a storage layer, and a fixed magnetization layer is provided above and below the storage layer via an intermediate layer, By flowing current in the stacking direction, the direction of magnetization of the storage layer changes, and information is recorded on the storage layer. Therefore, it is possible to record information by spin injection by flowing current in the stacking direction. it can.
Further, in the magnetization fixed layers above and below the storage layer, the magnetization directions of the ferromagnetic layers closest to the storage layer are opposite to each other, so that the spin injection efficiency can be greatly increased. Thereby, the amount of current (threshold current) required to reverse the magnetization direction of the storage layer by spin injection can be reduced.
Further, since each intermediate layer is made of an insulating layer, the insulating layer can suppress and maintain the attenuation of the flow of polarized electrons (spin current). As a result, the spin injection efficiency can be further improved, and the amount of current (threshold current) required to reverse the magnetization direction of the storage layer by spin injection can be reduced.
The two intermediate layers above and below the memory layer have different sheet resistance values, so that even if the magnetoresistance change rate of each intermediate layer is negated, the magnetoresistive change rate of the entire memory element is ensured to be sufficiently large. It becomes possible to do.
本発明のメモリは、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有する記憶素子と、互いに交差する2種類の配線とを備え、記憶素子は、記憶層の上下にそれぞれ中間層を介して磁化固定層が設けられ、それぞれの中間層がいずれも絶縁層から成り、記憶層の上下の磁化固定層において、それぞれ記憶層に最も近い強磁性層の磁化の向きが互いに反対向きであり、積層方向の電流を流すことにより、記憶層の磁化の向きが変化して、記憶層に対して情報の記録が行われ、記憶層の上下2つの中間層の面積抵抗値が異なる構成であり、2種類の配線の交点付近かつ2種類の配線の間に記憶素子が配置され、2種類の配線を通じて記憶素子に積層方向の電流が流れるものである。 The memory of the present invention includes a storage element having a storage layer that holds information according to the magnetization state of a magnetic material, and two types of wirings that cross each other, and the storage element is provided above and below the storage layer via intermediate layers. A magnetization fixed layer is provided, and each intermediate layer is made of an insulating layer. In the magnetization fixed layers above and below the storage layer, the magnetization directions of the ferromagnetic layers closest to the storage layer are opposite to each other. By flowing a current in the direction, the magnetization direction of the storage layer changes, information is recorded on the storage layer, and the area resistance values of the two upper and lower intermediate layers of the storage layer are different. A storage element is arranged near the intersection of two types of wiring and between the two types of wiring, and a current in the stacking direction flows through the storage element through the two types of wiring.
上述の本発明のメモリの構成によれば、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有する記憶素子と、互いに交差する2種類の配線とを備え、記憶素子が上記本発明の記憶素子の構成であり、2種類の配線の交点付近かつ2種類の配線の間に記憶素子が配置され、これら2種類の配線を通じて記憶素子に積層方向の電流が流れるものであることにより、2種類の配線を通じて記憶素子の積層方向に電流を流してスピン注入による情報の記録を行うことができる。
また、スピン注入により記憶素子の記憶層の磁化の向きを反転させるために必要な電流量(閾値電流)を低減することができる。
さらに、記憶素子の磁気抵抗変化率が充分な大きさであるため、磁気抵抗変化を利用して記憶素子の記憶層に記録された情報を読み出せば、高い出力が得られることから、容易に情報の読み出しを行うことができる。
According to the configuration of the memory of the present invention described above, a memory element having a memory layer that holds information according to the magnetization state of the magnetic material and two kinds of wirings intersecting each other are provided, and the memory element is the memory element of the present invention. The memory element is arranged near the intersection of two types of wiring and between the two types of wiring, and current in the stacking direction flows through the memory element through these two types of wiring. Information can be recorded by spin injection by passing a current in the stacking direction of the memory element through the wiring.
In addition, the amount of current (threshold current) required to reverse the magnetization direction of the storage layer of the storage element by spin injection can be reduced.
Furthermore, since the magnetoresistive change rate of the memory element is sufficiently large, it is easy to obtain high output by reading the information recorded in the memory layer of the memory element using the magnetoresistive change. Information can be read out.
上記本発明の記憶素子及びメモリにおいて、記憶素子の記憶層の上下の前記磁化固定層が、それぞれ複数層の強磁性層が非磁性層を介して積層された構造を有し、強磁性層の(膜厚)×(単位体積飽和磁化)で示される面積磁化量について、それぞれの磁化固定層において、磁化が一方の向きに固定されている強磁性層の面積磁化量の総和と、磁化が他方の向きに固定されている強磁性層の面積磁化量の総和とがほぼ等しい構成とすることも可能である。
このような構成としたときには、記憶素子の記憶層の上下の磁化固定層が、複数層の強磁性層が非磁性層を介して積層された、いわゆる積層フェリ構造となっている。
そして、この積層フェリ構造の磁化固定層において、磁化が一方の向きに固定されている強磁性層の面積磁化量の総和と、磁化が他方の向きに固定されている強磁性層の面積磁化量の総和とがほぼ等しいことにより、各磁化固定層の記憶素子端面から漏れる磁界が打ち消されて、磁化固定層から記憶層に加わる漏洩磁界を非常に小さくすることが可能になる。これにより、漏洩磁界の作用による、記憶層の磁化を反転して情報を記録するための電流量がシフトする現象を抑制して、情報の記録の際の電流量の増大を抑制することができる。
In the storage element and the memory of the present invention, the magnetization fixed layers above and below the storage layer of the storage element each have a structure in which a plurality of ferromagnetic layers are stacked via a nonmagnetic layer. For the area magnetization amount represented by (film thickness) × (unit volume saturation magnetization), in each magnetization fixed layer, the total area magnetization amount of the ferromagnetic layer in which the magnetization is fixed in one direction, and the magnetization is the other It is also possible to adopt a configuration in which the total sum of the area magnetizations of the ferromagnetic layer fixed in the direction is substantially equal.
With such a configuration, the magnetization fixed layers above and below the storage layer of the storage element have a so-called laminated ferrimagnetic structure in which a plurality of ferromagnetic layers are laminated via a nonmagnetic layer.
And in this magnetization fixed layer of the laminated ferrimagnetic structure, the total area magnetization of the ferromagnetic layer whose magnetization is fixed in one direction and the area magnetization of the ferromagnetic layer whose magnetization is fixed in the other direction Is substantially equal to each other, the magnetic field leaking from the end face of the storage element of each magnetization fixed layer is canceled out, and the leakage magnetic field applied to the storage layer from the magnetization fixed layer can be made extremely small. As a result, the phenomenon that the amount of current for recording information by reversing the magnetization of the storage layer due to the action of the leakage magnetic field can be suppressed, and the increase in the amount of current during information recording can be suppressed. .
上記本発明の記憶素子及びメモリにおいて、記憶素子の記憶層の上下の磁化固定層を、それぞれ中間層に接する強磁性層がCoFeB層である構成とすることも可能である。
このような構成としたときには、CoFeB層がCoFe層等と比較して、スピン分極率が大きく、スピン注入効率が高いため、記憶層の磁化の向きを反転させるために必要な電流量をさらに低減することが可能になる。
In the memory element and the memory according to the present invention, the magnetization fixed layers above and below the memory layer of the memory element may be configured such that the ferromagnetic layer in contact with the intermediate layer is a CoFeB layer.
In such a configuration, the CoFeB layer has a higher spin polarizability and higher spin injection efficiency than the CoFe layer and the like, so that the amount of current necessary for reversing the magnetization direction of the storage layer is further reduced. It becomes possible to do.
上記本発明の記憶素子及びメモリにおいて、記憶素子の記憶層の上下の磁化固定層において、記憶層とは反対の側に反強磁性層が設けられ、反強磁性層に接する強磁性層がCoFe層である構成とすることも可能である。
このような構成としたときには、記憶層とは反対の側に反強磁性層が設けられたことにより、反強磁性層により磁化固定層の強磁性層の磁化の向きが固定される。ここで、反強磁性層に接する強磁性層を例えばCoFeB層とすると、おそらくは反強磁性層との結晶配向が充分に得られない等の理由により、CoFe層と比較して、反強磁性結合強度が弱くなる。従って、反強磁性層に接する強磁性層をCoFe層とすることが好ましい。
In the memory element and the memory of the present invention, an antiferromagnetic layer is provided on the opposite side to the memory layer in the magnetization fixed layers above and below the memory layer of the memory element, and the ferromagnetic layer in contact with the antiferromagnetic layer is CoFe It is also possible to adopt a structure that is a layer.
In such a configuration, since the antiferromagnetic layer is provided on the side opposite to the storage layer, the magnetization direction of the ferromagnetic layer of the magnetization fixed layer is fixed by the antiferromagnetic layer. Here, if the ferromagnetic layer in contact with the antiferromagnetic layer is, for example, a CoFeB layer, the antiferromagnetic coupling may be smaller than that of the CoFe layer, possibly because of insufficient crystal orientation with the antiferromagnetic layer. The strength is weakened. Therefore, the ferromagnetic layer in contact with the antiferromagnetic layer is preferably a CoFe layer.
上記本発明の記憶素子及びメモリにおいて、記憶素子の記憶層の上下の磁化固定層のうち少なくとも一方が、複数層の強磁性層が非磁性層を介して積層された構造を有し、かつ非磁性層の下に接する強磁性層がCoFe層である構成とすることも可能である。
このような構成としたときには、少なくとも一方の磁化固定層が、複数層の強磁性層が非磁性層を介して積層された構造即ちいわゆる積層フェリ構造を有しており、さらに非磁性層の下に接する強磁性層がCoFe層であることにより、積層フェリ構造において充分な反強磁性結合が得られる。
In the memory element and the memory of the present invention, at least one of the magnetization fixed layers above and below the memory layer of the memory element has a structure in which a plurality of ferromagnetic layers are stacked via a nonmagnetic layer, and A configuration in which the ferromagnetic layer in contact with the magnetic layer is a CoFe layer is also possible.
In such a configuration, at least one of the magnetization fixed layers has a structure in which a plurality of ferromagnetic layers are laminated via a nonmagnetic layer, that is, a so-called laminated ferrimagnetic structure, and further below the nonmagnetic layer. Since the ferromagnetic layer in contact with the layer is a CoFe layer, sufficient antiferromagnetic coupling can be obtained in the laminated ferrimagnetic structure.
上述の本発明によれば、スピン注入効率を改善することにより、情報の記録に必要な電流量を低減することができる。
これにより、メモリ全体の消費電力を低減することが可能になる。
従って、従来にない低消費電力のメモリを実現することが可能になる。
According to the present invention described above, the amount of current required for recording information can be reduced by improving the spin injection efficiency.
As a result, the power consumption of the entire memory can be reduced.
Therefore, it is possible to realize a memory with low power consumption that has not been conventionally available.
また、本発明によれば、記録された情報を読み出す際に、高い出力を得て、容易に情報の読み出しを行うことが可能になる。
これにより、記憶素子を備えたメモリにおいて、例えば、情報の読み出しを行う際に記憶素子に流す電流を小さくして、読み出し時の消費電力を低減したり、出力を検出するための回路等の構成を簡略化したり、読み出し感度を向上したりすることが可能になる。
Further, according to the present invention, when the recorded information is read out, it is possible to obtain a high output and easily read out the information.
As a result, in a memory including a memory element, for example, a circuit for reducing power consumption at the time of reading or detecting an output by reducing a current flowing through the memory element when information is read Can be simplified, and read sensitivity can be improved.
本発明の具体的な実施の形態の説明に先立ち、本発明の概要について説明する。
本発明は、前述したスピン注入により、記憶素子の記憶層の磁化の向きを反転させて、情報の記録を行うものである。記憶層は、強磁性層等の磁性体により構成され、情報を磁性体の磁化状態(磁化の向き)により保持するものである。
Prior to the description of specific embodiments of the present invention, an outline of the present invention will be described.
In the present invention, information is recorded by reversing the magnetization direction of the storage layer of the storage element by the spin injection described above. The storage layer is composed of a magnetic material such as a ferromagnetic layer, and holds information by the magnetization state (magnetization direction) of the magnetic material.
スピン注入により磁性層の磁化の向きを反転させる基本的な動作は、巨大磁気抵抗効果素子(GMR素子)もしくはトンネル磁気抵抗効果素子(MTJ素子)から成る記憶素子に対して、その膜面に垂直な方向に、ある閾値以上の電流を流すものである。このとき、電流の極性(向き)は、反転させる磁化の向きに依存する。
この閾値よりも絶対値が小さい電流を流した場合には、磁化反転を生じない。
The basic operation of reversing the magnetization direction of the magnetic layer by spin injection is perpendicular to the film surface of a memory element composed of a giant magnetoresistive element (GMR element) or a tunnel magnetoresistive element (MTJ element). In such a direction, a current exceeding a certain threshold is passed. At this time, the polarity (direction) of the current depends on the direction of magnetization to be reversed.
When a current having an absolute value smaller than this threshold is passed, magnetization reversal does not occur.
スピン注入によって、磁性層の磁化の向きを反転させるときに、必要となる電流の閾値Icは、現象論的に、下記数2により表される(例えば、F.J.Albert他著、Appl.Phys.Lett.,77,p.3809,2000年、等を参照)。 When the magnetization direction of the magnetic layer is reversed by spin injection, the current threshold Ic required is phenomenologically expressed by the following formula 2 (for example, FJAlbert et al., Appl. Phys. Lett. ., 77, p. 3809, 2000, etc.).
本発明では、式(1)で表されるように、電流の閾値が、磁性層の体積V、磁性層の飽和磁化Ms、実効的な磁気異方性の大きさを制御することにより、任意に設定することが可能であることを利用する。
そして、磁化状態により情報を保持することができる磁性層(記憶層)と、磁化の向きが固定された磁化固定層とを有する記憶素子を構成する。
In the present invention, as represented by the equation (1), the current threshold controls the volume V of the magnetic layer, the saturation magnetization M s of the magnetic layer, and the magnitude of the effective magnetic anisotropy, Use that it can be set arbitrarily.
Then, a storage element having a magnetic layer (storage layer) capable of holding information depending on the magnetization state and a magnetization fixed layer in which the magnetization direction is fixed is configured.
記憶層の磁化状態を変化させる電流の閾値は、実際には、例えば記憶層の厚さが2nmであり、平面パターンが120〜130nm×100nmの略楕円形の巨大磁気抵抗効果素子(GMR素子)において、+側の閾値+Ic=+0.6mAであり、−側の閾値−Ic=−0.2mAであり、その際の電流密度は約6×106A・cm2である。これらは、上記の式(1)にほぼ一致する(屋上他著,日本応用磁気学会誌,Vol.28,No.2,p.149,2004年参照)。 The threshold value of the current that changes the magnetization state of the storage layer is actually a substantially elliptical giant magnetoresistive element (GMR element) having a storage layer thickness of 2 nm and a planar pattern of 120 to 130 nm × 100 nm, for example. , The positive threshold value + Ic = + 0.6 mA, the negative threshold value −Ic = −0.2 mA, and the current density at that time is about 6 × 10 6 A · cm 2 . These almost agree with the above formula (1) (see Rooftop et al., Journal of Japan Society of Applied Magnetics, Vol.28, No.2, p.149, 2004).
一方、電流磁場により磁化反転を行う通常のMRAMでは、書き込み電流が数mA以上必要となる。
これに対して、スピン注入により磁化反転を行う場合には、上述のように、書き込み電流の閾値が充分に小さくなるため、集積回路の消費電力を低減させるために有効であることがわかる。
また、通常のMRAMで必要とされる、電流磁界発生用の配線(図10の105)が不要となるため、集積度においても通常のMRAMに比較して有利である。
On the other hand, a normal MRAM that performs magnetization reversal by a current magnetic field requires a write current of several mA or more.
On the other hand, when the magnetization reversal is performed by spin injection, the threshold value of the write current becomes sufficiently small as described above, which is effective for reducing the power consumption of the integrated circuit.
In addition, the current magnetic field generating wiring (105 in FIG. 10) required for a normal MRAM is not necessary, and this is advantageous in terms of integration compared to a normal MRAM.
前述した課題を解決するために、種々の検討を行った結果、2つの中間層を介した磁気抵抗効果を有する接合が、同様の抵抗変化率を有する場合にスピン注入効率が改善することを見出した。 As a result of various studies in order to solve the above-described problems, it has been found that the spin injection efficiency is improved when a junction having a magnetoresistive effect through two intermediate layers has a similar resistance change rate. It was.
ただし、2つの中間層を構成する材料が同様の抵抗変化率を有していて、なおかつ面積抵抗値が等しい場合は、それぞれで抵抗変化を打ち消し合うので、スピン注入効率が改善したとしても、記憶層の磁化の向きを抵抗変化率として検出することは困難となる。 However, if the materials constituting the two intermediate layers have the same rate of change in resistance and the area resistance values are equal, the resistance changes cancel each other, so even if the spin injection efficiency is improved, the memory is stored. It is difficult to detect the direction of magnetization of the layer as a resistance change rate.
一方で、2つの中間層がともに酸化物或いは窒化物等のトンネル絶縁層の場合には、絶縁層の膜厚や形成条件を調整することにより、抵抗変化率を著しく損なわずに自在に抵抗値を変化させることができる。 On the other hand, when the two intermediate layers are both tunnel insulating layers such as oxides or nitrides, the resistance value can be freely adjusted without significantly reducing the rate of change in resistance by adjusting the film thickness and formation conditions of the insulating layers. Can be changed.
そこで、本発明では、記憶層の上下に中間層を介して磁化固定層を設けた構成の記憶素子において、記憶層の上下の中間層を絶縁層(トンネルバリアとなるトンネル絶縁層)により構成すると共に、記憶層の上下の中間層(絶縁層)の面積抵抗値を異ならせる。
記憶層の上下の中間層を絶縁層により構成することにより、各中間層による磁気トンネル接合素子の磁気抵抗変化率を大きくすることができる。
記憶層の上下の中間層(絶縁層)の面積抵抗値を異ならせることにより、記憶素子の上下の磁気抵抗素子の構造を非対称にして、上下の磁気抵抗素子の抵抗変化及び磁気抵抗変化率が互いに打ち消し合っても、記憶素子全体の磁気抵抗変化率が消失しないようにすることができる。
これらの構成により、記憶素子全体の磁気抵抗変化率が大きくなるようにする。
Therefore, in the present invention, in a storage element having a configuration in which a magnetization fixed layer is provided above and below the storage layer via an intermediate layer, the upper and lower intermediate layers of the storage layer are configured by insulating layers (tunnel insulating layers serving as tunnel barriers). At the same time, the sheet resistance values of the intermediate layers (insulating layers) above and below the memory layer are made different.
By configuring the upper and lower intermediate layers of the storage layer with insulating layers, the magnetoresistance change rate of the magnetic tunnel junction element by each intermediate layer can be increased.
By making the area resistance values of the upper and lower intermediate layers (insulating layers) of the storage layer different, the structure of the upper and lower magnetoresistive elements of the storage element is made asymmetric, so that the resistance change and magnetoresistance change rate of the upper and lower magnetoresistive elements are Even if they cancel each other, the magnetoresistance change rate of the entire memory element can be prevented from disappearing.
With these configurations, the magnetoresistance change rate of the entire memory element is increased.
また、本発明では、記憶層の上下の磁化固定層において、記憶層側の強磁性層の磁化の向きを反平行にすることにより、スピン注入効率を改善する。
これにより、スピン注入により記憶層の磁化の向きを反転させるための電流量を低減することができる。
In the present invention, the spin injection efficiency is improved by making the magnetization directions of the ferromagnetic layers on the storage layer side antiparallel in the magnetization fixed layers above and below the storage layer.
Thereby, the amount of current for reversing the magnetization direction of the storage layer by spin injection can be reduced.
絶縁層の材料としては、酸化物や窒化物を用いることができる。
例えば、アルミニウム酸化物、アルミニウム窒化物、マグネシウム酸化物等を挙げることができ、主にこれらの酸化物や窒化物から成る絶縁層を構成する。
アルミニウム酸化物は、例えば、金属Al層を形成した後に、Al層を酸化することにより形成することができる。
アルミニウム窒化物は、例えば、金属Al層を形成した後に、Al層を窒化することにより形成することができる。
マグネシウム酸化物は、例えば、RFスパッタ法により、直接酸化物を堆積させることにより形成することができる。
As a material for the insulating layer, an oxide or a nitride can be used.
For example, aluminum oxide, aluminum nitride, magnesium oxide and the like can be mentioned, and an insulating layer mainly composed of these oxides and nitrides is formed.
The aluminum oxide can be formed, for example, by forming a metal Al layer and then oxidizing the Al layer.
The aluminum nitride can be formed, for example, by forming a metal Al layer and then nitriding the Al layer.
Magnesium oxide can be formed by directly depositing an oxide by, for example, RF sputtering.
磁化固定層は強磁性層のみ、あるいは反強磁性層と強磁性層との反強磁性結合を利用することにより、強磁性層の磁化の向きを固定した構成とする。
磁化固定層は、単層の強磁性層、或いは複数層の強磁性層により構成し、複数層の強磁性層を非磁性層を介して積層したいわゆる積層フェリ構造とすることも可能である。
The magnetization fixed layer has a configuration in which the magnetization direction of the ferromagnetic layer is fixed by using only the ferromagnetic layer or using antiferromagnetic coupling between the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer.
The fixed magnetization layer may be formed of a single-layered ferromagnetic layer or a plurality of ferromagnetic layers, and may have a so-called laminated ferrimagnetic structure in which a plurality of ferromagnetic layers are laminated via a nonmagnetic layer.
記憶層の上下にある2つの磁化固定層のそれぞれにおいて、反強磁性層と強磁性層との反強磁性結合を利用して強磁性層の磁化の向きを固定する場合には、それぞれの反強磁性層側にある強磁性層の磁化の向きが同じ向きに固定される。
このため、前述したように、スピン注入効率を向上する目的で、記憶層側の強磁性層の磁化の向きを反平行にするためには、少なくとも一方の磁化固定層を積層フェリ構造とすると共に、積層フェリ構造の磁化固定層を構成する強磁性層の数を選定する必要がある。
例えば、反強磁性層をAF、強磁性層をFM、非磁性層をNとし、磁化容易軸方向の磁化の向きを↓と↑として示した場合に、下記の(1)〜(4)の組み合わせが考えられる。
(1)下層の磁化固定層:AF/FM(↑)、上層の磁化固定層:FM(↓)/N/(↑)FM/AF
(2)下層の磁化固定層:AF/FM(↑)/N/FM(↓)、上層の磁化固定層:(↑)FM/AF
(3)下層の磁化固定層:AF/FM(↑)/N/FM(↓)、上層の磁化固定層:FM(↑)/N/FM(↓)/N/(↑)FM/AF
(4)下層の磁化固定層:AF/FM(↑)/N/FM(↓)/N/FM(↑)、上層の磁化固定層:FM(↓)/N/(↑)FM/AF
When the magnetization direction of the ferromagnetic layer is fixed using antiferromagnetic coupling between the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer in each of the two magnetization fixed layers above and below the storage layer, The magnetization direction of the ferromagnetic layer on the ferromagnetic layer side is fixed to the same direction.
Therefore, as described above, in order to improve the spin injection efficiency, in order to make the magnetization direction of the ferromagnetic layer on the storage layer side antiparallel, at least one magnetization fixed layer has a laminated ferrimagnetic structure. Therefore, it is necessary to select the number of ferromagnetic layers constituting the magnetization fixed layer having the laminated ferri structure.
For example, when the antiferromagnetic layer is AF, the ferromagnetic layer is FM, the nonmagnetic layer is N, and the magnetization directions in the easy axis direction are indicated by ↓ and ↑, the following (1) to (4) Combinations are possible.
(1) Lower magnetization fixed layer: AF / FM (↑), upper magnetization fixed layer: FM (↓) / N / (↑) FM / AF
(2) Lower magnetization fixed layer: AF / FM (↑) / N / FM (↓), Upper magnetization fixed layer: (↑) FM / AF
(3) Lower magnetization fixed layer: AF / FM (↑) / N / FM (↓), Upper magnetization fixed layer: FM (↑) / N / FM (↓) / N / (↑) FM / AF
(4) Lower magnetization fixed layer: AF / FM (↑) / N / FM (↓) / N / FM (↑), Upper magnetization fixed layer: FM (↓) / N / (↑) FM / AF
もちろん、記憶層側の強磁性層の磁化の向きが逆向きに固定されるのであれば、(1)〜(4)以外の組み合わせも可能である。一般的に言えば、一方の磁化固定層を奇数層の強磁性層により構成し、他方の磁化固定層を偶数層の強磁性層により構成すればよい。ただし、この強磁性層の数は、非磁性層を介さずに直接積層された複数の強磁性層は1層の強磁性層として数える。 Of course, combinations other than (1) to (4) are possible as long as the magnetization direction of the ferromagnetic layer on the storage layer side is fixed in the opposite direction. Generally speaking, one of the magnetization fixed layers may be composed of an odd number of ferromagnetic layers, and the other magnetization fixed layer may be composed of an even number of ferromagnetic layers. However, the number of the ferromagnetic layers is counted as a single ferromagnetic layer in which a plurality of ferromagnetic layers directly laminated without a nonmagnetic layer interposed therebetween.
さらに望ましくは、各磁化固定層で強磁性層の磁化量が一方の磁化の向きとその反平行とでバランスしていて、各磁化固定層で漏れ磁界を打ち消し合うようにそれぞれの強磁性層の面積磁化量と膜厚が調整されているように構成するのがよい。
それぞれの強磁性層で磁化量の調整が不充分であって、漏れ磁界が記憶素子の磁化固定層の端部から発生している場合には、RHループで測定されるヒステリシスがシフトして、外部磁場を印加しないとスピン注入磁化反転が得られないとともに、ヒステリシスの形状が乱れて磁化反転が不安定になる。
More preferably, the magnetization amount of the ferromagnetic layer in each magnetization fixed layer is balanced by the direction of one magnetization and antiparallel to each other, and each magnetization fixed layer has each magnetization layer so as to cancel the leakage magnetic field. It is preferable that the area magnetization amount and the film thickness are adjusted.
When the amount of magnetization of each ferromagnetic layer is not sufficiently adjusted and a leakage magnetic field is generated from the end of the magnetization fixed layer of the storage element, the hysteresis measured in the RH loop is shifted, If an external magnetic field is not applied, spin-injection magnetization reversal cannot be obtained, and the shape of hysteresis is disturbed to make magnetization reversal unstable.
そこで、漏洩磁界を少なくするために、磁化固定層の磁化の向きが異なる複数の強磁性層について、強磁性層の(膜厚)×(単位体積飽和磁化)で示される面積磁化量が、反磁界を打ち消すようにバランスが取れた構成とする。
即ち、記憶層の上下に設けられた2つの磁化固定層のそれぞれにおいて、各強磁性層の (膜厚)×(単位体積飽和磁化)で示される面積磁化量について、磁化の向きが一方に固定された強磁性層の面積磁化量の総和Σ(Mstp)と、磁化の向きが他方に固定された強磁性層の面積磁化量の総和Σ(Mstm)とが、ほぼ等しい構成とする。
そして、これらの総和Σ(Mstp),Σ(Mstm)について、
Σ(Mstp)=xΣ(Mstm),0.8<x<1.2
を満たすように構成することが好ましい。
通常、積層フェリ構造の磁化固定層では、各磁性層の磁化の向きが互い違いに逆向きになるため、これら面積磁化量の総和Σ(Mstp),Σ(Mstm)は、それぞれ奇数番目の磁性層の面積磁化量の総和と偶数番目の磁性層の面積磁化量の総和とに対応する。
Therefore, in order to reduce the leakage magnetic field, the area magnetization amount represented by (film thickness) × (unit volume saturation magnetization) of the ferromagnetic layer is opposite for the plurality of ferromagnetic layers having different magnetization directions of the magnetization fixed layer. A balanced configuration is used to cancel the magnetic field.
That is, in each of the two magnetization fixed layers provided above and below the storage layer, the magnetization direction is fixed to one for the area magnetization amount indicated by (film thickness) × (unit volume saturation magnetization) of each ferromagnetic layer. The total area magnetization amount Σ (Mstp) of the ferromagnetic layers thus formed and the total area magnetization amount Σ (Mstm) of the ferromagnetic layers whose magnetization directions are fixed to the other are substantially equal.
And about these sum total (SIGMA) (Mstp) and (SIGMA) (Mstm),
Σ (Mstp) = xΣ (Mstm), 0.8 <x <1.2
It is preferable to configure so as to satisfy.
Usually, in the magnetization fixed layer having the laminated ferrimagnetic structure, the magnetization directions of the respective magnetic layers are alternately reversed. Therefore, the sums Σ (Mstp) and Σ (Mstm) of the area magnetization amounts are respectively odd-numbered magnetic layers. Corresponds to the total area magnetization amount of the even-numbered magnetic layers.
なお、記憶素子を構成する各層の材料としては、例えば、以下の材料が挙げられる。
反強磁性層として用いられる材料としては、鉄,ニッケル,白金,イリジウム,ロジウム等のマンガン合金、コバルトやニッケル酸化物等が使用できる。
非磁性層として用いられる材料としては、ルテニウム、銅、クロム、金、銀等が使用できる。膜厚は材料によって変動するが、ほぼ0.4nm〜2.5nmの範囲で使用する。
磁化固定層を構成する強磁性層の材料としては、Co−Fe系強磁性材料やそれにボロンBが15〜30原子%添加されたアモルファス材料や、Co,Fe,Niの合金から成る強磁性材料を用いることができる。
In addition, as a material of each layer which comprises a memory element, the following materials are mentioned, for example.
As materials used for the antiferromagnetic layer, manganese alloys such as iron, nickel, platinum, iridium, and rhodium, cobalt, nickel oxide, and the like can be used.
As a material used for the nonmagnetic layer, ruthenium, copper, chromium, gold, silver or the like can be used. Although the film thickness varies depending on the material, it is used in the range of about 0.4 nm to 2.5 nm.
As a material of the ferromagnetic layer constituting the magnetization fixed layer, a Co—Fe based ferromagnetic material, an amorphous material in which boron B is added to 15 to 30 atomic%, or a ferromagnetic material made of an alloy of Co, Fe, and Ni. Can be used.
特に、磁化固定層の中間層、即ちトンネルバリアとなる絶縁層に接する強磁性層に、CoFeB層を用いることにより、スピン分極率を大きくして、スピン注入効率を向上することができる。これにより、記憶層の磁化の向きを反転させるための電流をさらに低減することができる。 In particular, by using a CoFeB layer for the intermediate layer of the magnetization fixed layer, that is, the ferromagnetic layer in contact with the insulating layer serving as a tunnel barrier, the spin polarizability can be increased and the spin injection efficiency can be improved. As a result, the current for reversing the magnetization direction of the storage layer can be further reduced.
ただし、反強磁性層(例えばPtMn膜)に接していて、なおかつ磁化の向きが固定される強磁性層は、ボロンBの含有量が15%以上であるCoFeB層は好適でなく、CoFe層であることが望ましい。これは、ボロンBの含有量が15%以上であるCoFeB層を、反強磁性層に接する強磁性層に用いると、充分な反強磁性結合磁界が得られないため、この強磁性層の磁化の向きを安定して固定させることができなくなるためである。 However, a CoFeB layer having a boron B content of 15% or more is not suitable for a ferromagnetic layer that is in contact with an antiferromagnetic layer (for example, a PtMn film) and whose magnetization direction is fixed. It is desirable to be. This is because when a CoFeB layer having a boron B content of 15% or more is used as a ferromagnetic layer in contact with the antiferromagnetic layer, a sufficient antiferromagnetic coupling magnetic field cannot be obtained. This is because it becomes impossible to stably fix the orientation of.
また、複数層の強磁性層が非磁性層を介して積層された、いわゆる積層フェリ構造において、非磁性層(例えばRu膜)の下側に接する強磁性層も、CoFeB/Ru/CoFeBの積層膜で積層フェリ構造を構成した場合には、反強磁性結合が充分に得られなくなることから、CoFeB層よりもCoFe層が望ましい。 In a so-called laminated ferrimagnetic structure in which a plurality of ferromagnetic layers are laminated via a nonmagnetic layer, the ferromagnetic layer in contact with the lower side of the nonmagnetic layer (for example, Ru film) is also a CoFeB / Ru / CoFeB laminated layer. When a laminated ferrimagnetic structure is formed with a film, a sufficient antiferromagnetic coupling cannot be obtained, so a CoFe layer is preferable to a CoFeB layer.
これらのことから、例えば、トンネルバリア層と接する側をCoFeB層として、反強磁性層や積層フェリ構造の非磁性層と接する側はCoFe層というように、CoFeB/CoFeの積層膜とすることもできる。 Therefore, for example, a CoFeB / CoFe laminated film may be used, such as a CoFeB layer on the side in contact with the tunnel barrier layer and a CoFe layer on the side in contact with the nonmagnetic layer of the laminated ferrimagnetic structure. it can.
記憶層に用いる強磁性層の材料としては、Co,Fe,Niを主成分とする強磁性材料を用いることができる。
飽和磁化量が少なくでき、なおかつ抵抗変化率が大きいことから、記憶層をCoFeB層とすることが望ましく、さらに望ましくは、ボロンBの含有量が15〜30%であり、かつCoとFeとの組成比がCo:Fe=9:1〜5:5であることが好ましい。
これにより、飽和磁化量を低減し、なおかつ、大きな抵抗変化率を得ることができる。
As a material of the ferromagnetic layer used for the memory layer, a ferromagnetic material mainly composed of Co, Fe, and Ni can be used.
Since the amount of saturation magnetization can be reduced and the rate of resistance change is large, the storage layer is preferably a CoFeB layer, and more preferably, the content of boron B is 15 to 30%, and Co and Fe The composition ratio is preferably Co: Fe = 9: 1 to 5: 5.
Thereby, the amount of saturation magnetization can be reduced and a large resistance change rate can be obtained.
本発明の記憶素子では2対の磁気トンネル接合素子に電流を流す。
上述したように、2つの磁化固定層はそれぞれ磁化の向きが逆向きに固定されているので、各々の抵抗変化率を打ち消し合う。
これを模式的に示すと、図4のように、それぞれ抵抗変化率を打ち消し合うような、2つの磁気トンネル接合素子MTJ1,MTJ2が直列に接続されていることになる。
In the memory element of the present invention, a current is passed through two pairs of magnetic tunnel junction elements.
As described above, since the magnetization directions of the two magnetization fixed layers are fixed in opposite directions, the resistance change rates cancel each other.
When this is schematically shown, as shown in FIG. 4, two magnetic tunnel junction elements MTJ <b> 1 and MTJ <b> 2 that cancel out the resistance change rates are connected in series.
ここで、第1の磁気トンネル接合素子MTJ1を、高抵抗状態の抵抗値がRH1であり、低抵抗状態の抵抗値がRL1であるとして、第2の磁気トンネル接合素子MTJ2を、高抵抗状態の抵抗値がRH2であり、低抵抗状態の抵抗値がRL2であるとする。
そして、図4に示すように、記憶層の磁化の向きが一方の向き↑であるとき、第1の磁気トンネル接合素子MTJ1が高抵抗状態RH1であるとすると、第2の磁気トンネル接合素子MTJ2が低抵抗状態RL2にあり、記憶素子全体の抵抗値はRH1+RL2となる。
また、記憶層の磁化の向きが他方の向き↓であるときには、第1の磁気トンネル接合素子MTJ1が低抵抗状態RL1にあり、第2の磁気トンネル接合素子MTJ2が高抵抗状態RH2にあり、記憶素子全体の抵抗値はRL1+RH2となる。
従って、記憶素子全体の抵抗変化率は、下記の式(X)で示される。
{(RH1+RL2)−(RL1+RH2)}/(RL1+RH2) (X)
Here, assuming that the resistance value in the high resistance state is RH1 and the resistance value in the low resistance state is RL1, the first magnetic tunnel junction element MTJ1 is in the high resistance state. It is assumed that the resistance value is RH2 and the resistance value in the low resistance state is RL2.
As shown in FIG. 4, when the magnetization direction of the storage layer is one direction ↑, if the first magnetic tunnel junction element MTJ1 is in the high resistance state RH1, the second magnetic tunnel junction element MTJ2 Is in the low resistance state RL2, and the resistance value of the entire memory element is RH1 + RL2.
When the magnetization direction of the storage layer is the other direction ↓, the first magnetic tunnel junction element MTJ1 is in the low resistance state RL1 and the second magnetic tunnel junction element MTJ2 is in the high resistance state RH2. The resistance value of the entire element is RL1 + RH2.
Therefore, the resistance change rate of the entire memory element is expressed by the following formula (X).
{(RH1 + RL2)-(RL1 + RH2)} / (RL1 + RH2) (X)
そして、2つの磁気トンネル接合素子MTJ1,MTJ2の抵抗値が等しく、かつ抵抗変化率が等しい場合には、RH1=RH2,RL1=RL2となり、上記式(X)の分子の項が0となるため、記憶素子全体では抵抗変化率が観測されなくなる。 When the resistance values of the two magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2 are equal and the resistance change rate is equal, RH1 = RH2, RL1 = RL2, and the numerator term of the above formula (X) is zero. The resistance change rate is not observed in the entire memory element.
ここで、2つの磁気トンネル接合素子MTJ1,MTJ2の抵抗変化率を、例としてともに50%とし、抵抗変化率ΔRを縦軸にとり、RL1/(RL1+RL2)をそれぞれの磁気トンネル接合素子MTJ1,MTJ2の抵抗値の割合として横軸にして、これらの関係を図5に示す。 Here, the resistance change rates of the two magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2 are both 50% as an example, the resistance change rate ΔR is taken on the vertical axis, and RL1 / (RL1 + RL2) is represented by each of the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2. These relationships are shown in FIG. 5 on the horizontal axis as the ratio of the resistance values.
図5より、2つの磁気トンネル接合素子の抵抗値の差|RL1−RL2|が大きいほど、素子の抵抗変化率が増大し、抵抗値が等しい(RL1=RL2)場合には抵抗変化率が0となることがわかる。 From FIG. 5, the resistance change rate of the element increases as the difference | RL1-RL2 | between the resistance values of the two magnetic tunnel junction elements increases, and the resistance change rate is 0 when the resistance values are equal (RL1 = RL2). It turns out that it becomes.
続いて、記憶素子が、必要な特性を満たすための条件について説明する。
まず、トンネル磁気接合素子を構成する中間層、即ちトンネルバリアとなる絶縁層(以下、バリア層とする)について説明する。
例えば、AlOxによりバリア層を形成したトンネル磁気接合素子において、スピン注入による磁化反転を可能とするためには、およそ3〜8×106(A/μm2)の電流密度を必要とする。
バリア層内のピンホール密度等の信頼性にもよるが、スピン注入磁化反転が可能であり、かつ比較的低抵抗のバリア層の絶縁耐電圧は、およそ1V程度である。
ここで、記憶素子の面積を仮に0.06×0.167μm=0.01μm2であるとした場合に、3〜8×106(A/μm2)の電流密度を得るためには、それぞれ33.3〜12.5(Ωμm2)よりも抵抗値が小さい必要がある。
なお、磁化反転に必要な電流密度が小さいほど、記憶素子の抵抗値が大きくてもよくなる。
Next, conditions for the storage element to satisfy necessary characteristics will be described.
First, an intermediate layer constituting the tunnel magnetic junction element, that is, an insulating layer serving as a tunnel barrier (hereinafter referred to as a barrier layer) will be described.
For example, in a tunnel magnetic junction element in which a barrier layer is formed of AlOx, a current density of about 3 to 8 × 10 6 (A / μm 2 ) is required to enable magnetization reversal by spin injection.
Although depending on the reliability such as the pinhole density in the barrier layer, the spin-injection magnetization reversal is possible, and the dielectric breakdown voltage of the relatively low resistance barrier layer is about 1V.
Here, in order to obtain a current density of 3 to 8 × 10 6 (A / μm 2 ), assuming that the area of the memory element is 0.06 × 0.167 μm = 0.01 μm 2 , The resistance value needs to be smaller than 33.3 to 12.5 (Ωμm 2 ).
Note that the smaller the current density required for magnetization reversal, the larger the resistance value of the memory element.
従って、面積抵抗値が高抵抗である側のバリア層の抵抗値は、スピン注入に必要な電流密度を得る観点から、少なくとも30Ωμm2以下であることが好ましく、15Ωμm2以下であることがさらに好ましい。
また、バリア層に、AlOxの代わりに、MgO等その他の材料を用いた場合においても、同様の理由から要求される抵抗値が定まるが、MgO等の材料を用いた場合にも絶縁耐電圧がAlOxとほぼ同等であるので、抵抗値が30Ωμm2以下であることが望ましい。
Thus, the resistance of the barrier layer on the side sheet resistivity is high resistance, in view of obtaining a current density required for spin injection is preferably at least 30Omegamyuemu 2 or less, still more preferably 15Omegamyuemu 2 or less .
In addition, when other materials such as MgO are used for the barrier layer instead of AlOx, the required resistance value is determined for the same reason, but the insulation withstand voltage is also obtained when a material such as MgO is used. Since it is almost equivalent to AlOx, it is desirable that the resistance value is 30 Ωμm 2 or less.
一方、面積抵抗値が低抵抗である側のバリア層の抵抗値は、記憶層の磁化の向きによる情報を読み出す際の信号出力の観点で考えると、図5に示した傾向からわかるように、より小さいほど好ましい。この抵抗値を小さくするほど、読み出し信号の利得が向上する。
しかしながら、バリア層の抵抗値を低下させればさせるほど、一般的には、ピンホール等の影響によって、トンネル磁気接合の抵抗変化率が低下する。
これは、低抵抗側のバリア層をトンネル伝導するスピン偏極電流のスピンが散乱されることを意味しているので、抵抗値を下げることによって、同時に抵抗変化率を低下させるのは好ましくない。
従って、読み出し信号とスピン偏極電流の観点から、低抵抗側バリアの面積抵抗値は、高抵抗側バリアの面積抵抗値よりも充分に低く、少なくとも1/2程度以下であることが望ましい。
On the other hand, the resistance value of the barrier layer on the side where the area resistance value is low is considered from the tendency shown in FIG. 5 from the viewpoint of signal output when reading out information by the magnetization direction of the storage layer. Smaller is preferable. The smaller the resistance value, the higher the read signal gain.
However, as the resistance value of the barrier layer is lowered, the resistance change rate of the tunnel magnetic junction is generally lowered due to the influence of a pinhole or the like.
This means that spins of a spin-polarized current tunneling through the barrier layer on the low resistance side are scattered. Therefore, it is not preferable to reduce the resistance change rate simultaneously by reducing the resistance value.
Therefore, from the viewpoint of the read signal and the spin-polarized current, it is desirable that the area resistance value of the low resistance side barrier is sufficiently lower than the area resistance value of the high resistance side barrier and is at least about ½ or less.
次に、好適なスピン注入効率を得て、なおかつ良好な抵抗変化率を得るための条件について説明する。
記憶素子を構成する2つのトンネル磁気接合素子において、一方の抵抗変化率に対して、他方の抵抗変化率が低い場合でも、記憶素子の読み出し抵抗変化率は得られるが、他方のの抵抗変化率が低いことによりスピン偏極電流が減少するため、スピン注入の効率が低下する、そのため、電流低減効果が小さくなる。
従って、前述したように、2つのトンネル磁気接合素子の抵抗変化率をなるべく大きくして、トンネルバリアの面積抵抗値に差をつけることによって、読み出し抵抗値を得ることが望ましい。
そして、トンネル磁気抵抗素子の抵抗変化率は、主にトンネルバリアに接する強磁性層によって決まるため、強磁性層の材料や厚さ等を選定することにより、所望の抵抗変化率が得られるようにする。
Next, conditions for obtaining a suitable spin injection efficiency and a good resistance change rate will be described.
In the two tunnel magnetic junction elements constituting the memory element, the read resistance change rate of the memory element can be obtained even if the resistance change rate of the other is lower than the resistance change rate of one, but the other resistance change rate Since the spin-polarized current is reduced due to the low value, the efficiency of spin injection is reduced. Therefore, the current reduction effect is reduced.
Therefore, as described above, it is desirable to obtain the read resistance value by increasing the resistance change rate of the two tunnel magnetic junction elements as much as possible and making a difference in the area resistance value of the tunnel barrier.
The resistance change rate of the tunnel magnetoresistive element is determined mainly by the ferromagnetic layer in contact with the tunnel barrier, so that the desired resistance change rate can be obtained by selecting the material and thickness of the ferromagnetic layer. To do.
記憶素子のその他の構成は、スピン注入により情報を記録する記憶素子の従来公知の構成と同様とすることができる。 The other configuration of the storage element can be the same as the conventionally known configuration of the storage element that records information by spin injection.
なお、記憶素子の記憶層に記録された情報を読み出す方法としては、記憶素子の記憶層に薄い絶縁膜を介して、情報の基準となる磁性層を設けて、絶縁層を介して流れる強磁性トンネル電流によって、記録された情報を読み出してもよいし、磁気抵抗効果により読み出してもよい。 As a method for reading information recorded in the memory layer of the memory element, a ferromagnetic layer that flows through the insulating layer is provided by providing a magnetic layer serving as a reference of information via a thin insulating film in the memory layer of the memory element. The recorded information may be read by a tunnel current, or may be read by a magnetoresistive effect.
続いて、本発明の実施の形態を説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described.
本発明の一実施の形態として、メモリの概略構成図(斜視図)を図1に示す。
このメモリは、互いに直交する2種類のアドレス配線(例えばワード線とビット線)の交点付近に、磁化状態で情報を保持することができる記憶素子が配置されて成る。
即ち、シリコン基板等の半導体基体10の素子分離層2により分離された部分に、各メモリセルを選択するための選択用トランジスタを構成する、ドレイン領域8、ソース領域7、並びにゲート電極1が、それぞれ形成されている。このうち、ゲート電極1は、図中前後方向に延びる一方のアドレス配線(例えばワード線)を兼ねている。
ドレイン領域8は、図中左右の選択用トランジスタに共通して形成されており、このドレイン領域8には、配線9が接続されている。
As an embodiment of the present invention, a schematic configuration diagram (perspective view) of a memory is shown in FIG.
In this memory, a storage element capable of holding information in a magnetized state is arranged near the intersection of two types of address lines (for example, a word line and a bit line) orthogonal to each other.
That is, the drain region 8, the source region 7, and the
The drain region 8 is formed in common to the left and right selection transistors in the figure, and a
そして、ソース領域7と、上方に配置された、図中左右方向に延びる他方のアドレス配線(例えばビット線)6との間に、記憶素子3が配置されている。この記憶素子3は、スピン注入により磁化の向きが反転する強磁性層から成る記憶層を有する。
また、この記憶素子3は、2種類のアドレス配線1,6の交点付近に配置されている。
この記憶素子3は、ビット線6と、ソース領域7とに、それぞれ上下のコンタクト層4を介して接続されている。
これにより、2種類のアドレス配線1,6を通じて、記憶素子3に上下方向の電流を流して、スピン注入により記憶層の磁化の向きを反転させることができる。
The
The
The
As a result, a current in the vertical direction can be passed through the
また、本実施の形態のメモリの記憶素子3の断面図を図2に示す。
図2に示すように、この記憶素子3は、スピン注入により磁化M1の向きが反転する記憶層17に対して、下層に第1の磁化固定層31を設け、上層に第2の磁化固定層32を設けている。即ち、記憶層17に対して、上下2つの磁化固定層31,32を設けた構成である。
第1の磁化固定層31の下に反強磁性層12が設けられ、この反強磁性層12により、第1の磁化固定層31の磁化の向きが固定される。また、第2の磁化固定層32の上に反強磁性層20が設けられ、この反強磁性層20により、第2の磁化固定層32の磁化の向きが固定される。
A cross-sectional view of the
As shown in FIG. 2, the
The
そして、第1の磁化固定層31は、積層フェリ構造となっている。
具体的には、第1の磁化固定層31は、2層の強磁性層13,15が、非磁性層14を介して積層されて反強磁性結合した構成である。
第1の磁化固定層31の各強磁性層13,15が積層フェリ構造となっているため、強磁性層13の磁化M13が右向き、強磁性層15の磁化M15が左向きとなっており、互いに反対向きになっている。
これにより、第1の磁化固定層31の各強磁性層13,15から漏れる磁束が、互いに打ち消し合う。
一方、第2の磁化固定層32は、単層の強磁性層19のみを有する構成である。
The first magnetization fixed
Specifically, the first magnetization fixed
Since each of the
Thereby, the magnetic fluxes leaking from the
On the other hand, the second magnetization fixed
また、反強磁性層12の下には下地層11が形成され、反強磁性層20の上にはキャップ層21が形成されている。
An
記憶層17の材料としては、特に限定はないが、鉄、ニッケル、コバルトの1種もしくは2種以上からなる合金材料を用いることができる。さらにNb、Zr等の遷移金属元素やB等の軽元素を含有させることもできる。また、例えばCoFe/NiFe/CoFeの積層膜といったように、材料が異なる複数の膜を直接(非磁性層を介さずに)積層して、記憶層17を構成してもよい。
そして、特に、記憶層17をCoFeB層とした場合には、飽和磁化量を少なくすることができ、なおかつ抵抗変化率を大きくすることができるため、記憶層をCoFeB層とすることが望ましい。さらに望ましくは、CoFeBのボロンBの含有量が15〜30%であり、かつCoとFeとの組成比がCo:Fe=9:1〜5:5であることが好ましい。
The material of the
In particular, when the
磁化固定層31,32の強磁性層13,15,19の材料としては、鉄、ニッケル、コバルトの1種もしくは2種以上からなる合金材料、例えばCoFe合金を用いることができる。さらにNb、Zr等の遷移金属元素やB等の軽元素を含有させることもできる。
例えば、CoFe合金にボロンBが20〜30原子%添加されたアモルファス(非晶質)のCoFeBを用いることも可能である。
As a material of the
For example, amorphous (amorphous) CoFeB in which 20 to 30 atomic% of boron B is added to a CoFe alloy can be used.
第1の磁化固定層31の積層フェリを構成する非磁性層14の材料としては、ルテニウム、銅、クロム、金、銀等が使用できる。非磁性層14の膜厚は、材料によって変動するが、好ましくは、ほぼ0.4nmから2.5nmの範囲で使用する。
反強磁性層12,20の材料としては、鉄、ニッケル、白金、イリジウム、ロジウム等の金属元素とマンガンとの合金、コバルトやニッケルの酸化物等が使用できる。
As the material of the
As a material of the
本実施の形態においては、特に、記憶素子3の第1の磁化固定層31及び第2の磁化固定層32と記憶層17との間の中間層が、いずれも絶縁層となっている。
即ち、記憶層17と下層の第1の磁化固定層31との間には、トンネルバリア層(トンネル絶縁層)となる第1の絶縁層16が設けられ、記憶層17と第1の磁化固定層31とにより、MTJ素子が構成されている。
また、記憶層17と上層の第2の磁化固定層32との間には、トンネルバリア層(トンネル絶縁層)となる第2の絶縁層18が設けられ、記憶層17と第2の磁化固定層32とにより、MTJ素子が構成されている。
In the present embodiment, in particular, the first magnetization fixed
In other words, the first insulating
A second insulating
また、本実施の形態においては、記憶層17の上下にある中間層、即ち第1の絶縁層16及び第2の絶縁層18が、面積抵抗値が異なり、例えば第1の絶縁層16が相対的に高抵抗であり、第2の絶縁層18が相対的に低抵抗である構成とする。
In the present embodiment, the intermediate layers above and below the
このような構成とするために、例えば、第1の絶縁層16と第2の絶縁層18に絶縁性の異なる材料をそれぞれ用いたり、絶縁層16,18を形成する際の酸化時間や窒化時間を異ならせて酸化や窒化の度合いを異ならせたりする。
In order to achieve such a configuration, for example, materials having different insulating properties are used for the first insulating
そして、第1の磁化固定層31の各強磁性層13,15が積層フェリ構造となっているため、強磁性層13の磁化M13が右向き、強磁性層15の磁化M15が左向きとなっており、互いに反対向きになっている。
第2の磁化固定層32の強磁性層19の磁化M19は右向きとなっている。
即ち、第1の磁化固定層31のうち記憶層17に最も近い強磁性層15の磁化M15が左向きであり、第2の磁化固定層32の強磁性層19の磁化M19が右向きであり、これらが互いに反対の向きになっている。
このように記憶層17を挟む磁化固定層31,32において、それぞれ記憶層17に最も近い強磁性層15,19の磁化M15,M19が互いに反対の向きになっていることにより、スピン注入効率を増大させることができるため、スピン注入により記憶層17の磁化M1の向きを反転させるために必要な電流量を低減することができる。
Since each of the
The magnetization M19 of the
That is, the magnetization M15 of the
Thus, in the magnetization fixed
また、特に、磁化固定層31,32のトンネルバリアとなる絶縁層16,18に接する強磁性層15,19に、CoFeB層を用いることにより、スピン分極率を大きくして、スピン注入効率を向上することができる。これにより、記憶層17の磁化M1の向きを反転させるための電流をさらに低減することができる。
In particular, the use of CoFeB layers for the
ただし、反強磁性層12に接する強磁性層13には、ボロンBの含有量が15%以上のCoFeB層を用いることは望ましくなく、CoFe層を用いる方が望ましい。
However, it is not desirable to use a CoFeB layer having a boron B content of 15% or more for the
また、磁化固定層31の積層フェリを構成する非磁性層14の下の強磁性層13には、CoFeB層よりもCoFe層を用いた方が望ましい。
In addition, it is desirable to use a CoFe layer rather than a CoFeB layer for the
これらのことから、例えば、トンネルバリアとなる絶縁層16と接する側の強磁性層をCoFeB層として、非磁性層14側の強磁性層はCoFe層とした、CoFeB/CoFeの積層膜により強磁性層15を構成してもよい。
Therefore, for example, the ferromagnetic layer on the side in contact with the insulating
本実施の形態の記憶素子3は、下地層11からキャップ層21までを真空装置内で連続的に形成して、その後エッチング等の加工により記憶素子3のパターンを形成することにより、製造することができる。
The
上述の本実施の形態によれば、記憶素子3の記憶層17を挟む磁化固定層31,32において、それぞれ記憶層17に最も近い強磁性層15,19の磁化M15,M19が互いに反対の向きになっていることにより、スピン注入効率を増大させることができる。これにより、スピン注入によって記憶層17の磁化M1の向きを反転させるために必要な電流量を、低減することができる。
According to the above-described embodiment, in the magnetization fixed
また、上述の本実施の形態によれば、記憶層17とその下層の第1の磁化固定層31との間の中間層が第1の絶縁層16であり、記憶層17とその上層の第2の磁化固定層32との間の中間層が第2の絶縁層18であり、いずれの中間層16,18も絶縁層であることにより、スピン流の減衰を抑制して、充分なスピン注入効率を得ることが可能になる。これにより、スピン注入効率をさらに向上して、スピン注入によって記憶層17の磁化M1の向きを反転させるために必要な電流量を、低減することができる。
Further, according to the present embodiment described above, the intermediate layer between the
即ち、記憶素子3に情報の記録を行うために必要な電流量を低減することができ、記憶素子3を備えたメモリにおいて、消費電力を低減することができる。
従って、従来にない低消費電力のメモリを実現することが可能になる。
That is, the amount of current necessary for recording information in the
Therefore, it is possible to realize a memory with low power consumption that has not been conventionally available.
さらに、本実施の形態によれば、第1の絶縁層16と第2の絶縁層18の面積抵抗値が異なる。
これにより、高抵抗側の磁気抵抗変化率が低抵抗側の磁気抵抗変化率により打ち消されても、記憶素子3全体で大きい磁気抵抗変化率を得ることができる。
Furthermore, according to the present embodiment, the area resistance values of the first insulating
Thereby, even if the magnetoresistance change rate on the high resistance side is canceled out by the magnetoresistance change rate on the low resistance side, a large magnetoresistance change rate can be obtained in the
このように、記憶素子3の磁気抵抗変化率が充分な大きさであるため、磁気抵抗変化を利用して記憶素子3の記憶層17に記録された情報を読み出せば、高い出力が得られることから、容易に情報の読み出しを行うことができる。
これにより、記憶素子3を備えたメモリにおいて、例えば、情報の読み出しを行う際に記憶素子3に流す電流を小さくして読み出し時の消費電力を低減したり、出力を検出するための回路等の構成を簡略化したりすることが可能になる。
Thus, since the magnetoresistive change rate of the
Thereby, in a memory including the
次に、本発明の他の実施の形態として、メモリを構成する記憶素子の断面図を図3に示す。
この記憶素子30は、第2の磁化固定層32が、積層フェリ構造となっている。
具体的には、第2の磁化固定層32は、3層の強磁性層22,24,26が、非磁性層23,25を介して積層されて反強磁性結合した構成である。
そして、第2の磁化固定層32の各強磁性層22,24,26が積層フェリ構造となっているため、強磁性層22の磁化M22が右向き、強磁性層24の磁化M24が左向き、強磁性層26の磁化M26が右向きとなっており、互いに反対向きになっている。
これにより、第2の磁化固定層32の各強磁性層22,24,26から漏れる磁束が、互いに打ち消し合う。
Next, as another embodiment of the present invention, a cross-sectional view of a memory element constituting a memory is shown in FIG.
In the
Specifically, the second magnetization fixed
Since each of the
As a result, the magnetic fluxes leaking from the
また、第2の磁化固定層32内の、それぞれの各強磁性層からの磁束が相殺される関係にある。
具体的には、第2の磁化固定層32において、合成磁化がほぼゼロとなるように、互いに磁化が反対の向きの強磁性層の単位体積飽和磁化と膜厚との積(=面積磁化量)の総和が等しいこと、即ち以下の関係が成り立つことが望ましい。
Ms22・t22+Ms26・t26=Ms24・t24
(ただし、Ms22,Ms24,Ms26は、それぞれ強磁性層22,24,26の単位体積飽和磁化であり、t22,t24,t26は、それぞれ強磁性層22,24,26の膜厚である。)
Further, the magnetic fluxes from the respective ferromagnetic layers in the second magnetization fixed
Specifically, in the second magnetization fixed
Ms22 · t22 + Ms26 · t26 = Ms24 · t24
(However, Ms22, Ms24, and Ms26 are unit volume saturation magnetizations of the
さらに、本実施の形態においては、第1の磁化固定層31のうち記憶層17に最も近い強磁性層15の磁化M15が左向きであり、第2の磁化固定層32のうち記憶層17に最も近い強磁性層22の磁化M22が右向きであり、これらが互いに反対の向きになっている。
このように記憶層17を挟む磁化固定層31,32において、それぞれ記憶層17に最も近い強磁性層15,22の磁化M15,M22が互いに反対の向きになっていることにより、スピン注入効率を増大させることができるため、スピン注入により記憶層17の磁化の向きを反転させるために必要な電流量を低減することができる。
Further, in the present embodiment, the magnetization M15 of the
Thus, in the magnetization fixed
その他の構成は、図2に示した記憶素子3と同様であるので、同一符号を付して重複説明を省略する。
即ち、第1の絶縁層16及び第2の絶縁層18は、図2に示した先の実施の形態の記憶素子3と同様に、面積抵抗値が異なる。
Other configurations are the same as those of the
That is, the first insulating
また、本実施の形態の記憶素子30を用いて、図1に示したメモリと同様の構成のメモリを構成することができる。
即ち、記憶素子30を2種類のアドレス配線の交点付近に配置してメモリを構成し、2種類のアドレス配線を通じて記憶素子30に上下方向(積層方向)の電流を流して、スピン注入により記憶層17の磁化の向きを反転させて、記憶素子30に情報の記録を行うことができる。
Further, a memory having a structure similar to that of the memory illustrated in FIG. 1 can be formed using the
That is, the
上述の本実施の形態によれば、先の実施の形態と同様に、記憶素子30の記憶層17を挟む磁化固定層31,32において、それぞれ記憶層17に最も近い強磁性層15,22の磁化M15,M22が互いに反対の向きになっていることにより、スピン注入効率を増大させることができる。これにより、スピン注入によって記憶層17の磁化M1の向きを反転させるために必要な電流量を、低減することができる。
また、記憶層17とその下層の第1の磁化固定層31との間の中間層が第1の絶縁層16であり、記憶層17とその上層の第2の磁化固定層32との間の中間層が第2の絶縁層18であり、いずれの中間層16,18も絶縁層であることにより、スピン流の減衰を抑制して、充分なスピン注入効率を得ることが可能になる。これにより、スピン注入効率をさらに向上して、スピン注入によって記憶層17の磁化M1の向きを反転させるために必要な電流量を、低減することができる。
According to the above-described present embodiment, in the magnetization fixed
The intermediate layer between the
即ち、記憶素子30に情報の記録を行うために必要な電流量を低減することができ、記憶素子30を備えたメモリにおいて、消費電力を低減することができる。
従って、従来にない低消費電力のメモリを実現することが可能になる。
In other words, the amount of current necessary for recording information in the
Therefore, it is possible to realize a memory with low power consumption that has not been conventionally available.
さらに、本実施の形態によれば、先の実施の形態と同様に、第1の絶縁層16と第2の絶縁層18の面積抵抗値が異なる。これにより、高抵抗側の磁気抵抗変化率が低抵抗側の磁気抵抗変化率により打ち消されても、記憶素子30全体で大きい磁気抵抗変化率を得ることができる。
Furthermore, according to the present embodiment, the area resistance values of the first insulating
このように、記憶素子30の磁気抵抗変化率が充分な大きさであるため、磁気抵抗変化を利用して記憶素子30の記憶層17に記録された情報を読み出せば、高い出力が得られることから、容易に情報の読み出しを行うことができる。
これにより、記憶素子30を備えたメモリにおいて、例えば、情報の読み出しを行う際に記憶素子30に流す電流を小さくして読み出し時の消費電力を低減したり、出力を検出するための回路等の構成を簡略化したりすることが可能になる。
Thus, since the magnetoresistive change rate of the
Accordingly, in a memory including the
なお、上述の各実施の形態の説明では、記憶層17の下層の第1の絶縁層16が相対的に高抵抗であり、記憶層17の上層の第2の絶縁層18が相対的に低抵抗である構成として、説明したが、記憶層の下層の絶縁層が相対的に低抵抗であり、記憶層の上層の絶縁層が相対的に高抵抗である構成としてもよい。
In the description of each embodiment described above, the first insulating
(実施例)
ここで、本発明の記憶素子の構成において、具体的に各層の材料や膜厚等を選定して、特性を調べた。
実際には、メモリには、図1や図8に示したように、記憶素子以外にもスイッチング用の半導体回路等が存在するが、ここでは、記憶層の磁気抵抗特性を調べる目的で、記憶素子のみを形成したウエハにより検討を行った。
(Example)
Here, in the structure of the memory element of the present invention, the material and film thickness of each layer were specifically selected, and the characteristics were examined.
Actually, as shown in FIGS. 1 and 8, the memory includes a semiconductor circuit for switching in addition to the memory element. Here, for the purpose of examining the magnetoresistive characteristics of the memory layer, the memory is stored. The study was performed using a wafer on which only elements were formed.
(膜構成1:サンプル1)
まず、厚さ0.575mmのシリコン基板上に厚さ300nmの熱酸化膜を形成し、その上に下部電極層として、Ta(3nm)/Al(60nm)の積層膜を予め形成した後に、その上に図2に示した構成の記憶素子3を形成した。
具体的には、図2に示した構成の記憶素子3において、下地膜11を膜厚3nmのTa膜、反強磁性層12を膜厚30nmのPtMn膜、第1の磁化固定層31を構成する強磁性層13を膜厚2nmのCoFe膜、積層フェリ構造の第1の磁化固定層31を構成する非磁性層14を膜厚0.8nmのRu膜、第1の磁化固定層31を構成する強磁性層15を膜厚2nmのCoFeB膜、トンネル絶縁層となる第1の絶縁層16を膜厚0.5nmのAl膜を酸化した酸化アルミニウム膜、記憶層17を膜厚2nmのCoFeB膜、トンネル絶縁層となる第2の絶縁層18を膜厚0.5nmのAl膜を酸化した酸化アルミニウム膜、第2の磁化固定層32を構成する強磁性層19を膜厚2.5nmのCoFe膜、反強磁性層20を膜厚30nmのPtMn膜、キャップ層21を膜厚5nmのTa膜と選定して、各層を形成した。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成(膜構成1)として、記憶素子3を作製した。
膜構成1:
Ta(3nm)/PtMn(30nm)/CoFe(2nm)/Ru(0.8nm)/CoFeB(2nm)/Al(0.5nm)-Ox/CoFeB(3nm)/Al(0.5nm)-Ox/CoFe(2.5nm)/PtMn(30nm)/Ta(5nm)
なお、上記膜構成で、合金組成の示されていないPtMnの組成はPt50Mn50(原子%)とした。
酸化アルミニウム膜から成る絶縁層16,18以外の各層は、DCマグネトロンスパッタ法を用いて成膜した。
酸化アルミニウム(Al−Ox)膜から成る絶縁層16,18は、まず金属Al膜をDCスパッタ法により所定の厚さで堆積させて、その後に酸素を所定の圧力までチャンバー内に満たして所定の時間だけ放置することにより、金属Al層を酸化させた。その後に、再び1×10−7〜1×10−8Torrの高真空に排気して、次の層の成膜を行った。
そして、第1の絶縁層16及び第2の絶縁層18は、いずれも、チャンバーガス圧を10Torrとして、酸化時間を600秒とすることにより抵抗値を調整した。
さらに、記憶素子3の各層を成膜した後に、磁場中熱処理炉で、10kOe・270℃・4時間の熱処理を行い、反強磁性層12,20のPtMn膜の規則化熱処理を行った。
(Membrane structure 1: Sample 1)
First, a 300 nm thick thermal oxide film is formed on a 0.575 mm thick silicon substrate, and a Ta (3 nm) / Al (60 nm) laminated film is previously formed thereon as a lower electrode layer. The
Specifically, in the
That is, the
Membrane configuration 1:
Ta (3nm) / PtMn (30nm) / CoFe (2nm) / Ru (0.8nm) / CoFeB (2nm) / Al (0.5nm) -Ox / CoFeB (3nm) / Al (0.5nm) -Ox / CoFe (2.5 nm) / PtMn (30nm) / Ta (5nm)
In the above film configuration, the PtMn composition whose alloy composition is not shown is Pt50Mn50 (atomic%).
Each layer other than the insulating
The insulating layers 16 and 18 made of an aluminum oxide (Al—O x ) film are formed by first depositing a metal Al film at a predetermined thickness by a DC sputtering method, and then filling the chamber with a predetermined pressure to fill the chamber with a predetermined pressure. The metal Al layer was oxidized by leaving it for a period of time. After that, it was evacuated again to a high vacuum of 1 × 10 −7 to 1 × 10 −8 Torr, and the next layer was formed.
The resistance values of the first insulating
Further, after each layer of the
次に、ワード線部分をフォトリソグラフィによってマスクした後に、ワード線以外の部分の積層膜に対してArプラズマにより選択エッチングを行うことにより、ワード線(下部電極)を形成した。この際に、ワード線部分以外は、基板の深さ5nmまでエッチングされた。 Next, after masking the word line portion by photolithography, selective etching was performed by Ar plasma on the laminated film other than the word line to form the word line (lower electrode). At this time, except for the word line portion, the substrate was etched to a depth of 5 nm.
その後、電子ビーム描画装置により記憶素子3のパターンのマスクを形成し、積層膜に対して選択エッチングを行い、記憶素子3を形成した。記憶素子3部分以外は、下部電極層のAl層直上までエッチングした。
Thereafter, a mask of the pattern of the
なお、記憶素子の大きさを小さくしていき、Δ=KuV/kT(Kuは異方性エネルギー、Vは磁性体の体積、kはボルツマン定数、Tは温度である)の値が小さくなり過ぎると、磁性体の熱揺らぎ耐性の問題から、磁化の向きが不安定となり、磁化の向きの保持特性が不足する。一方、記憶素子の大きさを大きくし過ぎると、上述のΔが大きくなり過ぎるため、磁化反転に必要なスピントルクが大きくなって、より大きな電流密度が必要となると共に、面積が大きいことから、より大きな電流を記憶素子に流す必要がある。
そこで、記憶素子のパターンを、短軸70nm×長軸170nmの楕円形状とした。
トンネル絶縁層が破壊する電圧は、その材質や形成条件によって異なり、測定する記憶素子の大きさにもよるが、今回実験を行った範囲の絶縁層の形成条件では、およそ短軸70nm×長軸170μmの楕円形状の記憶素子に対して、およそ1.0〜1.2Vの範囲にあった。
As the size of the memory element is reduced, Δ = KuV / kT (Ku is the anisotropic energy, V is the volume of the magnetic material, k is the Boltzmann constant, and T is the temperature) becomes too small. Due to the problem of the thermal fluctuation resistance of the magnetic material, the magnetization direction becomes unstable, and the magnetization direction holding characteristic is insufficient. On the other hand, if the size of the memory element is made too large, the above Δ becomes too large, so the spin torque necessary for magnetization reversal becomes large, a larger current density is required, and the area is large. A larger current needs to flow through the memory element.
Therefore, the pattern of the memory element was an elliptical shape having a short axis of 70 nm and a long axis of 170 nm.
The voltage at which the tunnel insulating layer breaks depends on the material and the forming conditions, and depends on the size of the memory element to be measured. It was in the range of approximately 1.0 to 1.2 V for an elliptical storage element of 170 μm.
次に、記憶素子3部分以外を、厚さ100nm程度のAl2O3のスパッタリングによって絶縁した。
その後、リフトオフにより記憶素子3の上面のコンタクトを形成した。
次に、Cr(20nm)/Cu(100nm)/Au(100nm)の充分に抵抗が低い上部電極層を形成して、フォトリソグラフィを用いて上部電極となるビット線及び測定用のパッド部分を形成して、記憶素子の試料を作製し、サンプル1の試料とした。
Next, the portions other than the
Thereafter, a contact on the upper surface of the
Next, an upper electrode layer having a sufficiently low resistance of Cr (20 nm) / Cu (100 nm) / Au (100 nm) is formed, and a bit line and a measurement pad portion to be the upper electrode are formed using photolithography. Thus, a sample of the memory element was manufactured and used as
(膜構成2:サンプル2〜サンプル7)
上層の第2の磁化固定層32を構成する強磁性層19を、膜厚1.0nmのCoFeB膜と膜厚2.0nmのCoFe膜との積層膜として、その他の構成は膜構成1と同様にして、記憶素子を作製した。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成(膜構成2)として、記憶素子を作製した。
膜構成2:
Ta(3nm)/PtMn(30nm)/CoFe(2nm)/Ru(0.8nm)/CoFeB(2nm)/Al(0.5nm)-Ox/CoFeB(3nm)/Al(0.5nm)-Ox/CoFeB(1.0nm)/CoFe(2.0nm)/PtMn(30nm)/Ta(5nm)
(Membrane structure 2: Sample 2 to Sample 7)
The
That is, a memory element was manufactured by setting the material and film thickness of each layer to the following configuration (film configuration 2).
Membrane configuration 2:
Ta (3nm) / PtMn (30nm) / CoFe (2nm) / Ru (0.8nm) / CoFeB (2nm) / Al (0.5nm) -Ox / CoFeB (3nm) / Al (0.5nm) -Ox / CoFeB (1.0 nm) / CoFe (2.0 nm) / PtMn (30 nm) / Ta (5 nm)
そして、この膜構成2において、それぞれ絶縁層を形成する酸化の条件(圧力又は時間)を変えた、サンプル2〜サンプル6の記憶素子の各試料を作製した。
サンプル2は、サンプル1と同じく、第1の絶縁層16及び第2の絶縁層18を、いずれも圧力10Torrで600秒酸化した。
サンプル3は、第1の絶縁層16を圧力10Torrで1800秒酸化し、第2の絶縁層18を圧力10Torrで300秒酸化した。即ち、サンプル2と比較して、第1の絶縁層16の酸化時間を長くして抵抗値を高くすると共に、第2の絶縁層18の酸化時間を短くして抵抗値を低くした。
サンプル4は、第1の絶縁層16を圧力10Torrで1800秒酸化し、第2の絶縁層18を圧力10Torrで600秒酸化した。即ち、サンプル2と比較して、第1の絶縁層16の酸化時間を長くして抵抗値を高くした。
サンプル5は、第1の絶縁層16を圧力10Torrで600秒酸化し、第2の絶縁層18を圧力0.5Torrで600秒酸化した。即ち、サンプル2と比較して、第2の絶縁層18の圧力を小さくして抵抗値を低くした。
サンプル6は、第1の絶縁層16を圧力10Torrで600秒酸化し、第2の絶縁層18を圧力0.1Torrで600秒酸化した。即ち、サンプル2と比較して、第2の絶縁層18の圧力を小さくして抵抗値を低くした。
And in this film | membrane structure 2, each sample of the memory element of the samples 2-6 which produced the conditions (pressure or time) of the oxidation which each forms an insulating layer was produced.
In sample 2, as in
In
In the sample 4, the first insulating
In Sample 5, the first insulating
In
さらに、膜構成2に対して、第2の絶縁層18を形成する金属Al層を膜厚0.45nmと少し薄くして、その他の構成は膜構成2と同様にして、記憶素子を作製し、サンプル7の試料とした。
即ち、サンプル7は、各層の材料及び膜厚を、下記の構成(膜構成2X)としたものである。
膜構成2X:
Ta(3nm)/PtMn(30nm)/CoFe(2nm)/Ru(0.8nm)/CoFeB(2nm)/Al(0.5nm)-Ox/CoFeB(3nm)/Al(0.45nm)-Ox/CoFeB(1.0nm)/CoFe(2.0nm)/PtMn(30nm)/Ta(5nm)
このサンプル7は、サンプル2と比較して、第1の絶縁層16が薄くなるため、その抵抗値も低くなる。
Further, the metal Al layer forming the second insulating
That is, in Sample 7, the material and film thickness of each layer have the following configuration (film configuration 2X).
Membrane configuration 2X:
Ta (3nm) / PtMn (30nm) / CoFe (2nm) / Ru (0.8nm) / CoFeB (2nm) / Al (0.5nm) -Ox / CoFeB (3nm) / Al (0.45nm) -Ox / CoFeB (1.0 nm) / CoFe (2.0 nm) / PtMn (30 nm) / Ta (5 nm)
Since the first insulating
(膜構成3:サンプル8)
下層の第1の磁化固定層31の各層13,14,15の構成と上層の第2の磁化固定層32の各層19の構成とを逆にして、さらに磁性層の膜厚を変更して、下層の磁化固定層の磁性層を膜厚2nm、上層の磁化固定層の2層の磁性層を膜厚2.5nmとした。さらに、下層の第1の絶縁層16を圧力10Torrで600秒酸化し、上層の第2の絶縁層18を圧力5Torrで600秒酸化し、その他の構成は膜構成1と同様にして、記憶素子を作製して、サンプル8の試料とした。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成(膜構成3)として、記憶素子を作製した。
膜構成3:
Ta(3nm)/PtMn(30nm)/CoFe(2nm)/Al(0.5nm)-Ox/CoFeB(3nm)/Al(0.5nm)-Ox/CoFe(2.5nm)/Ru(0.8nm)/CoFe(2.5nm)/PtMn(30nm)/Ta(5nm)
このサンプル8は、上層の第2の絶縁層18の酸化の圧力を小さくして、抵抗値を低くしている。
(Membrane structure 3: Sample 8)
By reversing the configuration of the
That is, a memory element was manufactured with the material and film thickness of each layer as the following configuration (film configuration 3).
Membrane configuration 3:
Ta (3nm) / PtMn (30nm) / CoFe (2nm) / Al (0.5nm) -Ox / CoFeB (3nm) / Al (0.5nm) -Ox / CoFe (2.5nm) / Ru (0.8nm) / CoFe ( 2.5nm) / PtMn (30nm) / Ta (5nm)
In this sample 8, the resistance value is lowered by reducing the pressure of oxidation of the upper second insulating
(膜構成4:サンプル9〜11)
図2に示した記憶素子3を作製する代わりに、図3に示した記憶素子30を作製した。
具体的には、図3に示した記憶素子30において、上層の第2の磁化固定層32を構成する磁性層22を膜厚1.0nmのCoFeB膜と膜厚2.0nmのCoFe膜との積層膜、積層フェリ構造の第2の磁化固定層32を構成する非磁性層23,25を膜厚0.8nmのRu膜、第2の磁化固定層32を構成する磁性層24を膜厚x(nm)のCoFe膜、第2の磁化固定層32を構成する磁性層26を膜厚2.5nmのCoFe膜と選定し、その他の各層は膜構成1と同様の材料・膜厚として、各層を形成した。また、下層の第1の絶縁層16を圧力10Torrで600秒酸化し、上層の第2の絶縁層18を圧力5Torrで600秒酸化した。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成(膜構成4)として、記憶素子30を作製した。
膜構成4:
Ta(3nm)/PtMn(30nm)/CoFe(2nm)/Ru(0.8nm)/CoFeB(2nm)/Al(0.5nm)-Ox/CoFeB(3nm)/Al(0.5nm)-Ox/CoFeB(1.0nm)/CoFe(2.0nm)/Ru(0.8nm)/CoFe(xnm)/Ru(0.8nm)/CoFe(2.5nm)/PtMn(30nm)/ Ta(5nm)
(Membrane structure 4:
Instead of producing the
Specifically, in the
That is, the
Membrane configuration 4:
Ta (3nm) / PtMn (30nm) / CoFe (2nm) / Ru (0.8nm) / CoFeB (2nm) / Al (0.5nm) -Ox / CoFeB (3nm) / Al (0.5nm) -Ox / CoFeB (1.0 nm) / CoFe (2.0nm) / Ru (0.8nm) / CoFe (xnm) / Ru (0.8nm) / CoFe (2.5nm) / PtMn (30nm) / Ta (5nm)
そして、この膜構成4において、それぞれ上層の第2の磁化固定層32の真ん中の磁性層24の膜厚x(nm)を変えた、サンプル9〜サンプル11の記憶素子の各試料を作製した。
サンプル9は、磁性層24の膜厚xを5nmとした。
サンプル10は、磁性層24の膜厚xを4nmとした。
サンプル11は、磁性層24の膜厚xを3nmとした。
And in this film | membrane structure 4, each sample of the memory element of the sample 9-the
In
In
In
(膜構成5:サンプル12)
上層の第2の絶縁層18を、膜厚1.2nmのMgO(酸化マグネシウム)膜により形成し、その他の構成は膜構成4と同様にして、記憶素子30を作製し、サンプル12の試料とした。MgO膜は、MgOターゲットを用いてRFスパッタ法により酸化物を直接堆積させて形成した。
なお、第1の絶縁層16は、圧力10Torrで600秒酸化した。また、磁化固定層32の磁性層24の膜厚は、4nm(サンプル10と同じ)とした。
即ち、サンプル12は、各層の材料及び膜厚を、下記の構成(膜構成5)としたものである。
膜構成5:
Ta(3nm)/PtMn(30nm)/CoFe(2nm)/Ru(0.8nm)/CoFeB(2nm)/Al(0.5nm)-Ox/CoFeB(3nm)/MgO(1.2nm)/CoFeB(1nm)/CoFe(2.5nm)/Ru(0.8nm)/CoFe(4nm)/Ru(0.8nm)/CoFe(2.5)/PtMn(30nm)/ Ta(5nm)
(Membrane structure 5: Sample 12)
The upper second insulating
The first insulating
That is, in the
Membrane configuration 5:
Ta (3nm) / PtMn (30nm) / CoFe (2nm) / Ru (0.8nm) / CoFeB (2nm) / Al (0.5nm) -Ox / CoFeB (3nm) / MgO (1.2nm) / CoFeB (1nm) / CoFe (2.5nm) / Ru (0.8nm) / CoFe (4nm) / Ru (0.8nm) / CoFe (2.5) / PtMn (30nm) / Ta (5nm)
(比較例)
上述したサンプル1〜サンプル12は、本発明の構成即ち実施例のサンプルであるが、これに対して、比較例として、本発明の構成以外の構成とした記憶素子のサンプルを作製した。
(Comparative example)
(膜構成6:サンプル13)
記憶層17までは膜構成1と同様に形成し、その上にキャップ層を形成した構成として、記憶素子を作製した。即ち、磁化固定層が記憶層の下層側のみに設けられた通常のスピン注入の記憶素子の構成である。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成(膜構成6)として、記憶素子を作製した。
膜構成6:
Ta(3nm)/PtMn(30nm)/CoFe(2nm)/Ru(0.8nm)/CoFeB(2nm)/Al(0.5nm)-Ox/CoFeB(3nm)/Ta(5nm)
これを、サンプル13の記憶素子の試料とした。
(Membrane structure 6: Sample 13)
Up to the
That is, a memory element was manufactured with the material and film thickness of each layer as the following configuration (film configuration 6).
Membrane configuration 6:
Ta (3nm) / PtMn (30nm) / CoFe (2nm) / Ru (0.8nm) / CoFeB (2nm) / Al (0.5nm) -Ox / CoFeB (3nm) / Ta (5nm)
This was used as a sample of the memory element of
(膜構成7:サンプル14)
各層の材料及び膜厚を、下記の構成(膜構成7)として、記憶素子を作製した。
膜構成7:
Ta(3nm)/CoFeB(3nm)/Al(0.5nm)-Ox/CoFe(2.5nm)/Ru(0.8nm)/ CoFe(5nm)/Ru(0.8nm)/CoFe(2.5nm)/PtMn(30nm)/ Ta(5nm)
また、酸化アルミニウム膜は、圧力10Torrで600秒酸化した。
これを、サンプル14の記憶素子の試料とした。
このサンプル14の記憶素子は、磁化固定層が記憶層の上層側のみに設けられた構成であり、かつ磁化固定層が3層の磁性層とその間の非磁性層とから成る積層フェリ構造となっている。
(Membrane structure 7: Sample 14)
A memory element was manufactured with the material and film thickness of each layer as the following configuration (film configuration 7).
Membrane configuration 7:
Ta (3nm) / CoFeB (3nm) / Al (0.5nm) -Ox / CoFe (2.5nm) / Ru (0.8nm) / CoFe (5nm) / Ru (0.8nm) / CoFe (2.5nm) / PtMn (30nm ) / Ta (5nm)
The aluminum oxide film was oxidized for 600 seconds at a pressure of 10 Torr.
This was used as a sample of the memory element of
The memory element of
(膜構成2:サンプル15)
前記膜構成2において、上層の第2の絶縁層18を圧力50Torrで600秒酸化して、その他はサンプル2と同様にして記憶素子を作製し、サンプル15の試料とした。
このサンプル15の記憶素子は、第2の絶縁層18の酸化の圧力を大きくして、抵抗値を高くしたものである。
(Membrane structure 2: Sample 15)
In the film configuration 2, the upper second insulating
In the memory element of
(膜構成8:サンプル16)
上層の第2の磁化固定層32を、2層の膜厚2.5nmのCoFe膜とその間の膜厚0.8nmのRu膜とにより形成し、その他の構成は膜構成4と同様にして、記憶素子を作製し、サンプル16の試料とした。なお、第1の絶縁層16は、圧力10Torrで600秒酸化し、第2の絶縁層は、圧力5Torrで600秒酸化した。
即ち、サンプル16は、各層の材料及び膜厚を、下記の構成(膜構成8)としたものである。
膜構成8:
Ta(3nm)/PtMn(30nm)/CoFe(2nm)/Ru(0.8nm)/CoFeB(2nm)/Al(0.5nm)-Ox/CoFeB(3nm)/Al(0.5nm)-Ox/CoFe(2.5nm)/Ru(0.8nm)/CoFe(2.5nm)/PtMn(30nm)/Ta(5nm)
このサンプル16の記憶素子は、記憶層の上下2つの磁化固定層が、いずれも2層の磁性層とその間の非磁性層とから成る積層フェリ構造となっている。
(Membrane structure 8: Sample 16)
The upper second magnetization fixed
That is, in the
Membrane configuration 8:
Ta (3nm) / PtMn (30nm) / CoFe (2nm) / Ru (0.8nm) / CoFeB (2nm) / Al (0.5nm) -Ox / CoFeB (3nm) / Al (0.5nm) -Ox / CoFe (2.5 nm) / Ru (0.8nm) / CoFe (2.5nm) / PtMn (30nm) / Ta (5nm)
In the storage element of
上述の各サンプルの記憶素子に対して、それぞれ以下のようにして特性の評価を行った。
なお、測定に先立ち、記憶素子に対して、外部から磁界を与えることができるように構成した。
The characteristics of the memory elements of the above samples were evaluated as follows.
Prior to the measurement, a magnetic field was externally applied to the storage element.
(面積抵抗値・抵抗変化率の測定)
ワード線の端子とビット線の端子にかかるバイアス電圧が10mVとなるように調節し、外部磁界により記憶層の磁化の向きを反転させて、記憶素子全体の面積抵抗値を測定し、抵抗−外部磁界の関係を調べた。
その後、抵抗が高い状態での抵抗値(高抵抗)と、抵抗が低い状態での抵抗値(低抵抗)とから、(高抵抗−低抵抗)/低抵抗の式により、抵抗変化率を算出した。
(Measurement of area resistance and resistance change rate)
The bias voltage applied to the word line terminal and the bit line terminal is adjusted to 10 mV, the direction of magnetization of the storage layer is reversed by an external magnetic field, the area resistance value of the entire storage element is measured, and resistance-external The relationship between magnetic fields was investigated.
Then, the resistance change rate is calculated from the resistance value (high resistance) in the high resistance state and the resistance value (low resistance) in the low resistance state using the formula (high resistance-low resistance) / low resistance. did.
(反転電流値・TMR比の測定)
温度を室温25℃として、記憶素子に流す電流量を変化させて、この記憶素子の抵抗値の測定を行い、測定結果から抵抗−電流曲線を得た。なお、この抵抗−電流曲線を得る測定は、両極性(プラス方向及びマイナス方向)の電流について行った。
(Measurement of reverse current value and TMR ratio)
The resistance value of the memory element was measured by changing the amount of current flowing through the memory element at a room temperature of 25 ° C., and a resistance-current curve was obtained from the measurement result. In addition, the measurement which obtains this resistance-current curve was performed about the electric current of both polarities (plus direction and minus direction).
ここで、抵抗−電流曲線の一例を図6に示す。
図6に示すように、ある一定以上の電流が印加されると、高抵抗状態から低抵抗状態へもしくはその逆へと変化し、磁化反転していることが確認できる。
Here, an example of a resistance-current curve is shown in FIG.
As shown in FIG. 6, when a certain current or more is applied, the state changes from the high resistance state to the low resistance state or vice versa, and it can be confirmed that the magnetization is reversed.
この抵抗−電流曲線から、抵抗値が変化する電流値を求めて、これを磁化の向きを反転させる反転電流値とした。両極性の電流について、この反転電流値を求めた。
なお、この反転電流の測定においては、磁化の向きが反転する閾値が、外部磁界によって変化するオフセットを生じる。このオフセットをなくすためには、(1)上述の抵抗変化率の測定において、予め抵抗−外部磁界の関係からRHループのオフセット磁界を求めておき、外部からオフセット分の磁界を印加しながら、反転電流を測定する、(2)外部からの印加磁界を変化させながら、反転電流の外部磁界依存性を測定する、の2つの方法が考えられる。ここでは、(1)の方法を採用して、測定を行った。
また、記憶素子の抵抗値によっても異なるが、およそ1.0〜1.2Vのバイアス電圧で、トンネル絶縁層が絶縁破壊することがわかっているため、印加電流の上限は0.8Vのバイアス電圧がかかる電流値までとした。
そして、+と−の両極性の反転電流値(絶対値)の平均値から、反転電流密度を算出した。
From this resistance-current curve, a current value at which the resistance value changes was obtained, and this was set as an inversion current value for reversing the direction of magnetization. The inversion current value was obtained for the bipolar current.
In the measurement of the reversal current, the threshold value at which the magnetization direction reverses causes an offset that varies depending on the external magnetic field. In order to eliminate this offset, (1) in the above-described measurement of the rate of change in resistance, the offset magnetic field of the RH loop is obtained in advance from the relationship between the resistance and the external magnetic field, and the inversion is performed while applying the offset magnetic field from the outside. Two methods are conceivable: measuring the current, and (2) measuring the dependence of the reversal current on the external magnetic field while changing the applied magnetic field from the outside. Here, the measurement was performed by employing the method (1).
Further, although it depends on the resistance value of the memory element, it is known that the tunnel insulating layer breaks down at a bias voltage of about 1.0 to 1.2 V. Therefore, the upper limit of the applied current is 0.8 V It was set as the current value which applied.
And the reversal current density was computed from the average value of the reversal current value (absolute value) of both polarity of + and-.
測定結果として、まず、各サンプルの、記憶素子の低抵抗状態の面積抵抗値及び記憶素子の抵抗変化率を表1に示す。表1の各測定値は、それぞれのサンプルのウエハ上に作製された200個の記憶素子を測定した値の平均値である。 As a measurement result, first, the area resistance value of the memory element in the low resistance state and the resistance change rate of the memory element of each sample are shown in Table 1. Each measured value in Table 1 is an average value of values obtained by measuring 200 memory elements manufactured on each sample wafer.
また、各サンプルの、反転電流値及び反転電流密度を表2に示す。表2の各測定値は、10個の記憶素子を測定した値の平均値である。 Table 2 shows the reversal current value and reversal current density of each sample. Each measured value in Table 2 is an average value of values obtained by measuring 10 memory elements.
以下、表1及び表2の結果に基づいて、本発明の記憶素子の構成とすることによる作用効果を考察する。 Hereinafter, based on the results of Tables 1 and 2, the operational effects of the configuration of the memory element of the present invention will be considered.
まず、本発明の実施例であるサンプル1と比較例であるサンプル13とを比較すると、サンプル1では、記憶層の上下にそれぞれ磁化固定層を設けて2つのMTJ素子を構成しているのに対して、サンプル13では、記憶層の下層側のみに磁化固定層を設けて1つのMTJ素子のみを構成している。
そして、抵抗変化率は、サンプル1では24.1%であり、サンプル13では42.2%であり、サンプル1の方が抵抗変化率が低く、2つのMTJ素子によって、抵抗変化率が相殺されていることがわかる。
しかし、磁化反転電流密度は、サンプル1では4.6×106(A/cm2)であり、サンプル13では6.5×106(A/cm2)であり、サンプル1の方が小さい。
従って、サンプル1のように、記憶層を挟んで2つのMTJ素子を構成することにより、反転電流を低減して、より小さい電流で記憶層の磁化の向きを反転させることが可能になる。
First, comparing
The rate of change in resistance is 24.1% in
However, the magnetization reversal current density is 4.6 × 10 6 (A / cm 2 ) in the
Therefore, by configuring two MTJ elements with the storage layer sandwiched as in
しかしながら、サンプル1では、2つの絶縁層16,18の形成条件が同一であるため、これらの絶縁層16,18によって同じトンネルバリアが形成されているとすると、図5に示したように、記憶素子全体としての抵抗変化率は得られないはずである。
そこで、次に、サンプル1と、記憶層の上層側のみに磁化固定層を設けて1つのMTJ素子のみを構成したサンプル14とを比較する。
サンプル14では、面積抵抗値が6.3Ωμm2であり、抵抗変化率が26.6%であった。即ち、面積抵抗値はサンプル1より小さく、抵抗変化率は少し大きくなっている。
また、サンプル14とサンプル13とを比較すると、反転電流値は同程度であるが、面積抵抗値及び抵抗変化率が大きく異なっている。この原因は必ずしも明らかではないが、絶縁層を上下に挟む磁性層の組成が異なる(サンプル13は上下とも非晶質のCoFeB膜であり、サンプル14は下層が非晶質のCoFeB膜で上層が結晶質のCoFe膜である)ことから、絶縁層の成膜状態が異なっていることと、磁化固定層の構成が異なる(サンプル13は2層の磁性層の積層フェリ構造であり、サンプル14は3層の磁性層の積層フェリ構造である)こととが考えられる。
サンプル1の第1の絶縁層16及び第2の絶縁層18においても、絶縁層16,18を上下に挟む磁性層の組成が異なり、また2つの磁化固定層31,32の構成が異なっている。このため、同じ条件で絶縁層16,18の形成を行っても、MTJ素子の抵抗値が異なっているものと推定される。
従って、2つのMTJ素子の抵抗値が異なることと、抵抗変化率が若干異なることによって、サンプル1では、2つのMTJ素子の抵抗変化率が相殺されずに、記憶素子全体としての抵抗変化率が得られたと考えられる。
However, in
Therefore,
In
Further, when the
Also in the first insulating
Accordingly, since the resistance values of the two MTJ elements are different from each other and the resistance change rate is slightly different, the resistance change rates of the two MTJ elements are not offset in
次に、サンプル2について説明する。
このサンプル2では、記憶層の上層の第2の磁化固定層32において、バリアの第2の絶縁層18側にCoFeB膜を配置している。
このサンプル2は、第2の磁化固定層32のバリアの第2の絶縁層18側にCoFe膜を配置しているサンプル1の反転電流密度4.6×106(A/cm2)と比較して、反転電流密度が2.7×106(A/cm2)と小さくなる。
このように反転電流が小さくなる原因は、スピン分極率が大きく、スピン注入効率の高い磁性層(CoFeB膜)をバリアとの界面に配する方が、より低い電流密度でスピン注入磁化反転が可能であることによると推定される。
従って、CoFe膜よりもCoFeB膜を、バリアの絶縁層に接するように形成することが、反転電流を低減する上で、より好ましいといえる。
Next, sample 2 will be described.
In Sample 2, a CoFeB film is disposed on the second insulating
This sample 2 is compared with the inversion current density of 4.6 × 10 6 (A / cm 2 ) of the
The reason why the reversal current is reduced in this way is that spin injection magnetization reversal is possible at a lower current density if a magnetic layer (CoFeB film) with high spin polarizability and high spin injection efficiency is arranged at the interface with the barrier. It is estimated that
Therefore, it can be said that forming the CoFeB film in contact with the insulating layer of the barrier is more preferable than the CoFe film in terms of reducing the reversal current.
次に、本発明の実施例であるサンプル3〜サンプル7と比較例であるサンプル15とを比較する。これらのサンプルは、サンプル2と同じ膜構成2において、2つの絶縁層16,18の形成条件の組み合わせを変化させたものである。
まず、サンプル3及びサンプル4では、下層の第1の絶縁層16の抵抗値を、より大きくして、上層の第2の絶縁層18の抵抗値を第1の絶縁層16に対して相対的に小さくした。サンプル3の抵抗変化率は33%であり、サンプル4の抵抗変化率は32.2%であり、いずれもサンプル2の値を上回っている。
従って、記憶素子の情報を読み出す際の抵抗変化率を大きくする目的では、サンプル2と比較して、サンプル3のように、一方のバリアに対して他方のバリアの抵抗値に差があってなおかつ、その差が大きい方が望ましい。
次に、サンプル5及びサンプル6では、下層のバリアの形成条件をサンプル2と同じにして、上層のバリアの抵抗値がサンプル2よりも小さくなるように、酸化の圧力を小さくしている。サンプル5及びサンプル6の抵抗値はサンプル2とほぼ同等であり、上層のバリアの抵抗値が低くなるほど、記憶素子の抵抗値も小さくなっている。
反転電流密度は、サンプル2には及ばないものの、サンプル1よりは小さくなっており、電流低減効果が見られている。
次に、サンプル7では、酸化する前の金属Al層の膜厚を薄くすることにより、上層のバリアの抵抗値を小さくしている。このサンプル7でも、サンプル5,6と同様の抵抗変化率や反転電流密度が得られた。
次に、比較例のサンプル15では、上層の第2の絶縁層18の酸化の圧力条件をより強いものとして、上層と下層のバリアの抵抗値が同じになるように調整したサンプルである。磁化反転電流密度は4.1×106(A/cm2)であり、サンプル2と比較して遜色ないが、抵抗変化率3.4%となり、本発明の実施例であるサンプル2の23.1%等に比較して大きく低下している。即ち、サンプル15の記憶素子では、抵抗変化率が小さいため、情報の読み出し時の出力が小さくなり、読み出しが困難である。
Next,
First, in
Therefore, for the purpose of increasing the rate of change in resistance when reading information from the storage element, the resistance value of the other barrier is different from that of the other barrier as in
Next, in
Although the reversal current density does not reach that of sample 2, it is smaller than that of
Next, in sample 7, the resistance value of the upper barrier is reduced by reducing the thickness of the metal Al layer before oxidation. In Sample 7, the same resistance change rate and reverse current density as in
Next, in the
次に、実施例のサンプル8及びサンプル9と比較例のサンプル16とを比較する。
サンプル8は、下層の第1の磁化固定層31が1層の強磁性層から成り、上層の第2の磁化固定層32は2層の強磁性層が非磁性層を介して積層された積層フェリ構造となっている。サンプル9は、下層の第1の磁化固定層31が2層の強磁性層の積層フェリ構造であり、上層の磁化固定層32は3層の強磁性層の積層フェリ構造となっている。そして、いずれのサンプルも、反強磁性層11,20により、バリアの絶縁層16,18に接する磁性層15,19の磁化の向きが反平行に固定されている。
一方、比較例のサンプル16は、下層の磁化固定層も上層の磁化固定層も2層の強磁性層の積層フェリ構造となっているため、反強磁性層により、バリアの絶縁層に接する磁性層の磁化の向きが平行に固定される。
Next, Sample 8 and
In the sample 8, the lower first magnetization fixed
On the other hand, the
これら3種のサンプル8,9,16では、表1に示したように、それぞれある程度以上の抵抗変化率が得られる。
しかし、磁化反転電流密度は、実施例のサンプル8及びサンプル9でそれぞれ4.3及び2.3×106(A/cm2)であるのに対して、2つの磁化固定層のバリア側の磁性層の磁化の向きが平行に固定されている比較例のサンプル16では、7.4×106(A/cm2)と大きくなっており、反転電流の低減効果が見られていない。
これは、トンネルバリアを介して、記憶層の上下に設けられた2つの磁化固定層の磁化の向きが反平行でないために、スピン注入効率の改善効果が得られないためである。
In these three types of
However, the magnetization reversal current density is 4.3 and 2.3 × 10 6 (A / cm 2 ) in the sample 8 and the
This is because the effect of improving the spin injection efficiency cannot be obtained because the magnetization directions of the two magnetization fixed layers provided above and below the storage layer are not antiparallel via the tunnel barrier.
従って、スピン注入の効率を向上するためには、記憶層の上下2つの磁化固定層において、それぞれ記憶層に最も近い側の磁性層の磁化の向きが反平行に固定されている必要があることがわかる。
このような構成は、実施例の各サンプルの構成以外にも考えられる。2つの磁化固定層において、非磁性層で隔てられた磁性層の数を、一方の磁化固定層では奇数として、他方の磁化固定層では偶数とすれば、条件を満たす。なお、このとき、膜構成2の第2の磁化固定層32の磁性層19(CoFeB膜とCoFe膜の積層)のように、非磁性層を介さずに直接積層されている複数の磁性層は、単層の磁性層とみなす。
Therefore, in order to improve the efficiency of spin injection, it is necessary that the magnetization directions of the magnetic layers closest to the storage layer are fixed antiparallel in the two upper and lower magnetization fixed layers of the storage layer. I understand.
Such a configuration is conceivable in addition to the configuration of each sample of the example. In the two magnetization fixed layers, the condition is satisfied if the number of magnetic layers separated by the nonmagnetic layer is an odd number in one magnetization fixed layer and an even number in the other magnetization fixed layer. At this time, as in the magnetic layer 19 (lamination of the CoFeB film and the CoFe film) of the second magnetization fixed
次に、本発明の実施例のサンプル2及びサンプル9〜サンプル11と、比較例のサンプル13とを比較する。
各実施例のサンプル2,9,10,11では、表2に示したように、比較例のサンプル13の磁化反転電流6.5×106(A/cm2)と比較して、磁化反転電流が減少している。
ここで、サンプル2は、下層の第1の磁化固定層31が2層の強磁性層13,15の積層フェリ構造であり、上層の第2の磁化固定層32が1相の強磁性層19から構成されている。これにより、下層の第1の磁化固定層31では、記憶素子に加工された磁性層端面からの漏れ磁界が2層の積層フェリ結合された磁性層13,15で互いに打ち消されるが、上層の第2の磁化固定層32では1層の磁性層19のみであるため、磁性層端面からの漏れ磁界は打ち消されない。
そして、外部磁場によるRHループは、漏洩磁界が大きいほど、また記憶素子の大きさが小さいほど、シフト量が大きくなる。
前述したように、漏洩磁界によるシフトは、磁化反転電流のシフトも引き起こすので、RHループのシフト量が少ないほど好適である。
Next, Sample 2 and
In the
Here, in sample 2, the lower first magnetization fixed
In the RH loop using the external magnetic field, the shift amount increases as the leakage magnetic field increases and the storage element size decreases.
As described above, the shift due to the leakage magnetic field also causes the shift of the magnetization reversal current, so the smaller the shift amount of the RH loop, the better.
ここで、サンプル2の記憶素子のRHループを測定した結果を図7に示す。なお、図7の縦軸はTMR比としている。
図7より、RHループが、磁界のプラス側にシフトしていることがわかる。
Here, the result of measuring the RH loop of the memory element of Sample 2 is shown in FIG. In addition, the vertical axis | shaft of FIG. 7 is made into TMR ratio.
FIG. 7 shows that the RH loop is shifted to the positive side of the magnetic field.
ここで、上述の各実施例のサンプル2,9,10,11について、RHループのシフト磁界を測定した。測定結果を、表3に示す。
Here, the shift magnetic field of the RH loop was measured for
表3より、サンプル2と比較して、他の3つのサンプル9,10,11は、シフト磁界が小さくなっていることがわかる。
また、一般的に、単層の強磁性層及び反強磁性層による反強磁性結合と、積層フェリ構造による反強磁性結合とを比較すると、積層フェリ構造による反強磁性結合の方が、磁化の向きの固定強度を大きくすることができる。
From Table 3, it can be seen that the shift magnetic field is smaller in the other three
In general, when comparing the antiferromagnetic coupling of the single-layered ferromagnetic layer and the antiferromagnetic layer with the antiferromagnetic coupling of the laminated ferrimagnetic structure, the antiferromagnetic coupling of the laminated ferrimagnetic structure is more magnetized. The fixing strength in the direction can be increased.
これらの点から、サンプル9〜11のように、記憶層の上下の磁化固定層にいずれも積層フェリ構造を用いた構成とすることにより、RHループのシフトを低減することができると共に、より大きな磁化固定強度を得られる点で有利である。
From these points, as in
次に、これら3つのサンプル9,10,11では、上部の磁化固定層32を3層の強磁性層22,24,26の積層フェリ構造としていて、3層の強磁性層22,24,26のうち、他の磁性層22,26の磁化M22,M26の向き(右向き)とは、磁化M24の向き(左向き)が逆向きとなる磁性層(CoFe膜)24について、その膜厚をそれぞれ、5nm,4nm,3nmに変化させて、漏洩磁界を打ち消す度合いを変化させている。
前述したのように記憶素子の大きさによっても、ループのシフトの大きさは異なるが、表3に示した結果では、サンプル9が最もループのシフトが少なくなっている。
Next, in these three
As described above, the magnitude of the loop shift varies depending on the size of the memory element, but in the results shown in Table 3, the
このような結果から、記憶素子として、漏洩磁界ができる限り少ない構成が、より好ましいことがわかる。
このように漏洩磁界が少ない記憶素子の構成としては、実施例のサンプル9等に限定されるものではなく、その他の構成も可能である。
そして、漏洩磁界が少ない記憶素子の構成の条件は、記憶層の上下に設けられた2つの磁化固定層の、それぞれの磁化固定層において、非磁性層を隔てて複数の強磁性層が積層された構成を有し、各強磁性層の (膜厚)×(単位体積飽和磁化)で示される面積磁化量について、磁化の向きが一方に固定された強磁性層の面積磁化量の総和Σ(Mstp)と、磁化の向きが他方に固定された強磁性層の面積磁化量の総和Σ(Mstm)とが、ほぼ等しいことである。そして、これらの総和Σ(Mstp),Σ(Mstm)について、
Σ(Mstp)=xΣ(Mstm),0.8<x<1.2
を満たすことが好ましい。
通常、積層フェリ構造の磁化固定層では、各磁性層の磁化の向きが互い違いに逆向きになるため、これら面積磁化量の和Σ(Mstp),Σ(Mstm)は、それぞれ奇数番目の磁性層の面積磁化量の和と偶数番目の磁性層の面積磁化量の和とに対応する。
From these results, it can be seen that a configuration with as little leakage magnetic field as possible is more preferable as the memory element.
The configuration of the memory element having a small leakage magnetic field is not limited to the
The storage element with a small leakage magnetic field is configured such that a plurality of ferromagnetic layers are laminated with a nonmagnetic layer in each magnetization fixed layer of two magnetization fixed layers provided above and below the storage layer. For the area magnetization indicated by (film thickness) × (unit volume saturation magnetization) of each ferromagnetic layer, the total area magnetization Σ ( Mstp) is substantially equal to the sum Σ (Mstm) of the area magnetization of the ferromagnetic layer whose magnetization direction is fixed to the other. And about these sum total (SIGMA) (Mstp) and (SIGMA) (Mstm),
Σ (Mstp) = xΣ (Mstm), 0.8 <x <1.2
It is preferable to satisfy.
Usually, in the magnetization fixed layer having the laminated ferrimagnetic structure, the magnetization directions of the respective magnetic layers are alternately reversed. Therefore, the sums Σ (Mstp) and Σ (Mstm) of the area magnetization amounts are respectively odd-numbered magnetic layers. Corresponds to the sum of the area magnetization amounts of the even-numbered magnetic layers.
次に、実施例のサンプル12の結果を用いて、本発明の記憶素子のトンネルバリアに用いる好適な材料について説明する。
サンプル12では、下層の第1の絶縁層16に酸化アルミニウム膜を用い、上層の第2の絶縁層18にMgO膜を用いている。これらの材料は、MTJ素子のトンネル絶縁層として一般的に用いられている。
サンプル12では、37.2%の抵抗変化率が得られており、反転電流密度は3.4×106(A/cm2)であり、比較例であるサンプル13の6.5×106(A/cm2)と比較して、反転電流を低減する効果が得られている。
従って、サンプル12のように、MgOを本発明のトンネルバリアの材料として用いることが可能であることがわかる。
Next, a suitable material used for the tunnel barrier of the memory element of the present invention will be described using the results of the
In the
In the
Therefore, it can be seen that MgO can be used as the material of the tunnel barrier of the present invention as in the
また、前述したように、2つのバリアがそれぞれ充分な磁気抵抗変化率を示し、そのトンネル接合の抵抗値に差がある限りにおいては、2つのトンネルバリアのうちいずれか一方もしくはその両方に、AlOxに代えてMgOを用いることが可能である。 Further, as described above, as long as the two barriers each exhibit a sufficient rate of change in magnetoresistance and there is a difference in the resistance value of the tunnel junction, either one or both of the two tunnel barriers may have AlOx. Instead of MgO, it is possible to use.
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various other configurations can be taken without departing from the gist of the present invention.
3,30 記憶素子、11 下地層、12,20 反強磁性層、13,15,19,22,24,26 強磁性層、14,23,25 非磁性層、16 第1の絶縁層、18 第2の絶縁層、17 記憶層、21 キャップ層、31 第1の磁化固定層、32 第2の磁化固定層、MTJ1,MTJ2 MTJ素子 3, 30 Memory element, 11 Underlayer, 12, 20 Antiferromagnetic layer, 13, 15, 19, 22, 24, 26 Ferromagnetic layer, 14, 23, 25 Nonmagnetic layer, 16 First insulating layer, 18 Second insulating layer, 17 storage layer, 21 cap layer, 31 first magnetization fixed layer, 32 second magnetization fixed layer, MTJ1, MTJ2 MTJ element
Claims (10)
前記記憶層の上下に、それぞれ中間層を介して磁化固定層が設けられ、
それぞれの前記中間層がいずれも絶縁層から成り、
前記記憶層の上下の前記磁化固定層において、それぞれ前記記憶層に最も近い強磁性層の磁化の向きが互いに反対向きであり、
積層方向に電流を流すことにより、前記記憶層の磁化の向きが変化して、前記記憶層に対して情報の記録が行われ、
前記記憶層の上下2つの前記中間層の面積抵抗値が異なる
ことを特徴とする記憶素子。 It has a storage layer that holds information according to the magnetization state of the magnetic material,
A magnetization fixed layer is provided above and below the storage layer via an intermediate layer, respectively.
Each of the intermediate layers consists of an insulating layer,
In the magnetization fixed layers above and below the storage layer, the magnetization directions of the ferromagnetic layers closest to the storage layer are opposite to each other,
By flowing a current in the stacking direction, the magnetization direction of the storage layer changes, and information is recorded on the storage layer.
The memory element, wherein two intermediate resistance values of the intermediate layer above and below the memory layer are different.
互いに交差する2種類の配線とを備え、
前記記憶素子は、前記記憶層の上下に、それぞれ中間層を介して磁化固定層が設けられ、それぞれの前記中間層がいずれも絶縁層から成り、前記記憶層の上下の前記磁化固定層において、それぞれ前記記憶層に最も近い強磁性層の磁化の向きが互いに反対向きであり、積層方向の電流を流すことにより、前記記憶層の磁化の向きが変化して、前記記憶層に対して情報の記録が行われ、前記記憶層の上下2つの前記中間層の面積抵抗値が異なる構成であり、
前記2種類の配線の交点付近かつ前記2種類の配線の間に、前記記憶素子が配置され、 前記2種類の配線を通じて、前記記憶素子に前記積層方向の電流が流れる
ことを特徴とするメモリ。 A storage element having a storage layer for retaining information by the magnetization state of the magnetic material;
Two types of wiring intersecting each other,
In the storage element, a magnetization fixed layer is provided above and below the storage layer via an intermediate layer, respectively, each of the intermediate layers is made of an insulating layer, and in the magnetization fixed layer above and below the storage layer, The directions of magnetization of the ferromagnetic layers closest to the storage layer are opposite to each other, and by passing a current in the stacking direction, the magnetization direction of the storage layer changes, and the information of the information on the storage layer changes. Recording is performed, and the area resistance values of the two intermediate layers above and below the storage layer are different from each other,
The memory is characterized in that the memory element is arranged near an intersection of the two types of wiring and between the two types of wiring, and the current in the stacking direction flows through the memory element through the two types of wiring.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004354425A JP2006165265A (en) | 2004-12-07 | 2004-12-07 | Storage element and memory |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004354425A JP2006165265A (en) | 2004-12-07 | 2004-12-07 | Storage element and memory |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2006165265A true JP2006165265A (en) | 2006-06-22 |
Family
ID=36666936
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2004354425A Pending JP2006165265A (en) | 2004-12-07 | 2004-12-07 | Storage element and memory |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2006165265A (en) |
Cited By (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006196612A (en) * | 2005-01-12 | 2006-07-27 | Sony Corp | Storage device and memory |
EP1939886A1 (en) * | 2006-12-26 | 2008-07-02 | Sony Corporation | Storage element and memory |
EP1970911A1 (en) * | 2007-03-15 | 2008-09-17 | Sony Corporation | Spin-polarised current driven magnetic memory device and memory |
JP2008306169A (en) * | 2007-05-07 | 2008-12-18 | Canon Anelva Corp | Magnetoresistive element, its manufacturing method, and magnetic multilayer film manufacturing apparatus |
JP2011003617A (en) * | 2009-06-16 | 2011-01-06 | Sony Corp | Memory device and memory |
WO2011121777A1 (en) * | 2010-03-31 | 2011-10-06 | 株式会社 東芝 | Magnetoresistive element and magnetic memory |
JP2012504348A (en) * | 2008-09-29 | 2012-02-16 | シーゲイト テクノロジー エルエルシー | STRAM with compensation element |
US8174800B2 (en) | 2007-05-07 | 2012-05-08 | Canon Anelva Corporation | Magnetoresistive element, method of manufacturing the same, and magnetic multilayered film manufacturing apparatus |
US8599605B2 (en) | 2007-05-28 | 2013-12-03 | Nec Corporation | Magnetic storage device |
US8675399B2 (en) | 2007-02-23 | 2014-03-18 | Nec Corporation | Magnetic unit and magnetic storage device |
WO2014158178A1 (en) * | 2013-03-28 | 2014-10-02 | Intel Corporation | High stability spintronic memory |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2000057525A (en) * | 1998-08-04 | 2000-02-25 | Sony Corp | Magnetic tunnel junction element and its production |
JP2001156357A (en) * | 1999-09-16 | 2001-06-08 | Toshiba Corp | Magneto-resistance effect element and magnetic recording element |
JP2003168834A (en) * | 2001-11-30 | 2003-06-13 | Sony Corp | Magnetoresistive effect element and its producing system, and magnetic memory |
JP2004193595A (en) * | 2002-11-26 | 2004-07-08 | Toshiba Corp | Magnetic cell and magnetic memory |
JP2005050907A (en) * | 2003-07-30 | 2005-02-24 | Toshiba Corp | Magnetoresistance effect element and magnetic memory |
-
2004
- 2004-12-07 JP JP2004354425A patent/JP2006165265A/en active Pending
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2000057525A (en) * | 1998-08-04 | 2000-02-25 | Sony Corp | Magnetic tunnel junction element and its production |
JP2001156357A (en) * | 1999-09-16 | 2001-06-08 | Toshiba Corp | Magneto-resistance effect element and magnetic recording element |
JP2003168834A (en) * | 2001-11-30 | 2003-06-13 | Sony Corp | Magnetoresistive effect element and its producing system, and magnetic memory |
JP2004193595A (en) * | 2002-11-26 | 2004-07-08 | Toshiba Corp | Magnetic cell and magnetic memory |
JP2005050907A (en) * | 2003-07-30 | 2005-02-24 | Toshiba Corp | Magnetoresistance effect element and magnetic memory |
Cited By (21)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006196612A (en) * | 2005-01-12 | 2006-07-27 | Sony Corp | Storage device and memory |
EP1939886A1 (en) * | 2006-12-26 | 2008-07-02 | Sony Corporation | Storage element and memory |
US7881097B2 (en) | 2006-12-26 | 2011-02-01 | Sony Corporation | Storage element and memory |
US8675399B2 (en) | 2007-02-23 | 2014-03-18 | Nec Corporation | Magnetic unit and magnetic storage device |
EP1970911A1 (en) * | 2007-03-15 | 2008-09-17 | Sony Corporation | Spin-polarised current driven magnetic memory device and memory |
US7660153B2 (en) | 2007-03-15 | 2010-02-09 | Sony Corporation | Memory device and memory |
US7869272B2 (en) | 2007-03-15 | 2011-01-11 | Sony Corporation | Memory device and memory for retaining information based on amagnetization state of a magnetic material |
JP2008306169A (en) * | 2007-05-07 | 2008-12-18 | Canon Anelva Corp | Magnetoresistive element, its manufacturing method, and magnetic multilayer film manufacturing apparatus |
US8174800B2 (en) | 2007-05-07 | 2012-05-08 | Canon Anelva Corporation | Magnetoresistive element, method of manufacturing the same, and magnetic multilayered film manufacturing apparatus |
US8599605B2 (en) | 2007-05-28 | 2013-12-03 | Nec Corporation | Magnetic storage device |
JP2012504348A (en) * | 2008-09-29 | 2012-02-16 | シーゲイト テクノロジー エルエルシー | STRAM with compensation element |
US8508988B2 (en) | 2008-09-29 | 2013-08-13 | Seagate Technology Llc | Magnetic tunnel junction with compensation element |
JP2011003617A (en) * | 2009-06-16 | 2011-01-06 | Sony Corp | Memory device and memory |
US8665639B2 (en) | 2010-03-31 | 2014-03-04 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Magnetoresistive element and magnetic memory |
WO2011121777A1 (en) * | 2010-03-31 | 2011-10-06 | 株式会社 東芝 | Magnetoresistive element and magnetic memory |
JP5479487B2 (en) * | 2010-03-31 | 2014-04-23 | 株式会社東芝 | Magnetoresistive element and magnetic memory |
WO2014158178A1 (en) * | 2013-03-28 | 2014-10-02 | Intel Corporation | High stability spintronic memory |
GB2526958A (en) * | 2013-03-28 | 2015-12-09 | Intel Corp | High stability spintronic memory |
US9231194B2 (en) | 2013-03-28 | 2016-01-05 | Intel Corporation | High stability spintronic memory |
US9735348B2 (en) | 2013-03-28 | 2017-08-15 | Intel Corporation | High stability spintronic memory |
GB2526958B (en) * | 2013-03-28 | 2020-11-18 | Intel Corp | High stability spintronic memory |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6374452B2 (en) | Magnetic memory | |
JP4682998B2 (en) | Memory element and memory | |
JP5040105B2 (en) | Memory element, memory | |
JP4380693B2 (en) | Memory element, memory | |
KR100989792B1 (en) | Magnetoresistance effect element and magnetic memory device | |
JP4661230B2 (en) | Memory element and memory | |
JP4277870B2 (en) | Storage element and memory | |
JP4951858B2 (en) | memory | |
JP2006093432A (en) | Memory element and memory | |
JP2007103471A (en) | Storage element and memory | |
JP2004128015A (en) | Magnetoresistive effect element and magnetic memory device | |
JP2003197920A (en) | Magnetic switching element and magnetic memory | |
JP2004179183A (en) | Magnetoresistive effect element and magnetic memory | |
KR20100033386A (en) | Storage element and memory | |
JP2007299931A (en) | Magnetoresistance effect element and magnetic memory | |
JP2012059906A (en) | Storage element and memory unit | |
JP2006190838A (en) | Memory element and memory | |
JP2007048790A (en) | Storage element and memory | |
JP2007305882A (en) | Memory element and memory | |
JP5786341B2 (en) | Memory element and memory device | |
JP2019054154A (en) | Magnetic memory | |
JP2006165059A (en) | Storage element and memory | |
JP2008153527A (en) | Storage element and memory | |
JP2006295000A (en) | Storage element and memory | |
JP2006295001A (en) | Storage element and memory |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20070625 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20100409 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20100420 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20100614 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20101124 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20110322 |