JP2001217479A - 磁気トンネル接合素子及びそれを用いた磁気メモリ - Google Patents

磁気トンネル接合素子及びそれを用いた磁気メモリ

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magnetization
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Ryoji Namikata
量二 南方
Masashi Michijima
正司 道嶋
Hidekazu Hayashi
秀和 林
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Sharp Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 MTJ素子の微細化にともない両端部の磁極
による反磁界の影響が大きくなり、メモリ層の磁化が不
安定になる。 【解決手段】 MTJ素子1のメモリ層となる強磁性層
11をロの字状の閉磁路構造とし、その上に絶縁層12
を介して強磁性層13、14を形成して、2つのトンネ
ル接合部を形成するとともに、この2つのトンネル接合
部を直列接続して、抵抗変化を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は磁気トンネル接合素
子及びそれを用いた磁気メモリに関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、磁気トンネル接合(MTJ)素子
は、従来の異方性磁気抵抗効果(AMR)素子や巨大磁
気抵抗効果(GMR)素子に比べて大きな出力が得られ
ることから、HDD(ハード・ディスク・ドライブ)用
再生ヘッドや磁気メモリへの応用が考えられている。
【0003】特に、磁気メモリは、半導体メモリと同じ
く稼動部の無い固体メモリであるが、電源が断たれても
情報を失わない、繰り返し回数が無限回である、放射線
が入射しても記録内容が消失する危険性が無い等、半導
体メモリと比較して有効である。
【0004】従来のMTJ素子の構成について、特開平
9―106514号公報に記載されたものを一例として
図2に示す。
【0005】図2のMTJ素子2は、反強磁性層21、
強磁性層22、絶縁層23、強磁性層24を積層したも
のである。ここで、反強磁性層21としてはFeMn、
NiMn、PtMn、IrMn等の合金が用いられ、強
磁性層22及び強磁性層24としてはFe、Co、Ni
或はこれらの合金が用いられる。絶縁層23としては各
種の酸化物や窒化物が検討されているが、Al23膜の
場合に最も高い磁気抵抗(MR)比が得られている。
【0006】なお、この他に、反強磁性層21を除いた
構成で、強磁性層22と強磁性層24の保磁力差を利用
したMTJ素子も知られている。
【0007】図2の構造のMTJ素子2を磁気メモリに
使用する場合の動作原理は以下の通りである。
【0008】強磁性層22及び強磁性層24の磁化はい
ずれも膜面内にあり、平行もしくは反平行となるように
実効的な一軸磁気異方性を有している。強磁性層22の
磁化は反強磁性層21との交換結合により実質的に一方
向に固定され、強磁性層24の磁化の方向で記憶を保持
する。
【0009】メモリ層となる強磁性層24の磁化が強磁
性層22の磁化と平行もしくは反平行でMTJ素子2の
抵抗が異なることを検出することにより、読み出しを行
う。
【0010】書込みについては、MTJ素子2の近傍に
配置した電流線が発生する磁界を利用して強磁性層24
の磁化の向きを変えることで実現される。
【0011】ところで、半導体メモリの代表的な例であ
るDRAMと同等の出力を得るためにMTJ素子のMR
比は100%近い値が必要となるが、現在までに報告さ
れているMTJ素子のMR比は最大でも40%前後であ
る。今後更に改善されると予想されるが、単一のMTJ
素子で上記の要求を満足することは困難と考えられる。
【0012】そこで、GMR素子で既に採用されている
デュアルスピンバルブ構造と同様に、図3に示す構造と
することにより実質的に二倍のMR比を得ることができ
る。
【0013】図3に示す構造のTMR素子3では、反強
磁性層31、強磁性層32、絶縁層33、強磁性層3
4、絶縁層35、強磁性層36、反強磁性層37が積層
されている。各磁性層及び絶縁層には図2と同様の材料
を使用することができる。
【0014】TMR素子3を磁気メモリとして使用する
場合には、強磁性層34の磁化方向で記憶を保持し、強
磁性層32、36の磁化との平行、反平行でTMR素子
3の抵抗が変化することを検出する。TMR素子3は2
個所のトンネル接合部が直列に接続されていることか
ら、図2に示す単一のトンネル接合部を有する従来のT
MR素子2と比較して、略2倍の出力を得ることができ
る。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】図3に示す構造のMT
J素子3では強磁性層32、34、36の磁化が面内方
向であるため、両端部には磁極が発生する。磁気メモリ
の高密度化を図るにはMTJ素子3を微細化する必要が
あるが、素子の微細化にともない両端部の磁極による反
磁界の影響が大きくなってしまう。
【0016】強磁性層32、36は反強磁性層31、3
7と交換結合していることから、上記の反磁界の影響は
少なく、また米国特許5841692号公報に開示され
ているように、強磁性層32、36を反強磁性結合する
二つの強磁性層で構成することにより、端部に発生する
磁極の影響を実質的にゼロにすることができる。
【0017】しかしながら、メモリ層となる強磁性層3
4については同様の手法を取ることができないことか
ら、パターンが微細化するに連れて端部磁極の影響によ
り磁化が不安定となり、記憶の保持が困難となる。
【0018】そこで、本発明は、パターンが微細化して
もメモリ層に記録された磁化状態が安定に存在すること
のできるデュアルスピンバルブ構造のMTJ素子及びそ
れを用いた磁気メモリを提供することを目的とする。
【0019】
【課題を解決するための手段】本発明の磁気トンネル接
合素子は、閉磁路構造を有する第1の強磁性層上に、絶
縁層を介して、磁化の方向が固定された2つの第2の磁
性層を互い電気的に分離するように積層したことを特徴
とする。
【0020】さらに、前記第2の強磁性層上に交換結合
する反強磁性層をそれぞれ積層したことを特徴とする。
【0021】また、本発明の磁気メモリは、閉磁路構造
を有する第1の強磁性層上に、絶縁層を介して、磁化の
方向が固定された2つの第2の磁性層を互い電気的に分
離するように積層した磁気トンネル接合素子を用いたこ
とを特徴とする。
【0022】さらに、書込み用電流線を第1の強磁性層
の中央部に配置することを特徴とする。
【0023】
【発明の実施の形態】以下、図をもとに本発明について
詳細に説明する。
【0024】本発明のMTJ素子の構成例を図1に示
す。
【0025】図1に示すように、本発明のMTJ素子1
は、ロの字型の強磁性層11の2辺上に絶縁層12、強
磁性層13、14、反強磁性層15、16をそれぞれ電
気的に分離して積層した。なお、上記とは逆の順序に各
層を積層してもよい。
【0026】強磁性層11は、平面内で閉磁路構造(右
回りまたは左回りの磁化)を有しており、端部での磁極
の発生が回避できるようになっている。また、強磁性層
13、14はそれぞれ反強磁性層15、16と交換結合
しているため、磁化方向は固定されている。
【0027】強磁性層11、13、14の材料として
は、Fe、Co、Ni或はこれらの合金を用いることが
できる。なお、強磁性層13、14はそれれぞれ別の材
料で構成することも可能であるが、同一の材料で構成す
る方が素子の作成が容易になる。
【0028】反強磁性層15、16の材料としては、F
eMn、NiMn、PtMn、IrMn等の合金を用い
ることができる。なお、反強磁性層15、16はそれぞ
れ別の材料で構成することも可能であるが、同一の材料
で構成する方が素子の作成が容易になる。
【0029】絶縁層12としてはMR比の点からAl2
3膜が望ましいが、その他の酸化膜、窒化膜等の絶縁
膜も使用できる。また、Si膜、ダイヤモンド膜、ダイ
ヤモンドライクカーボン(DLC)膜等の単一元素の絶
縁膜も使用できる。
【0030】本発明の各磁性層の膜厚は、膜厚が薄すぎ
ると熱エネルギーの影響で超常磁性化するため10Å以
上であることが望ましく、膜厚が厚すぎると素子作成が
困難となるため1000Å以下であることが望ましい。
また、各磁性層を多層膜で構成することも可能であり、
この場合には合計の膜厚を10Å以上1000Å以下に
設定すれば良い。
【0031】また、絶縁層12は、膜厚が3Å以下であ
る場合、強磁性層間が電気的にショートする可能性があ
り、30Å以上である場合、電子のトンネルが起きにく
く、MR比が小さくなってしまうので、3Å以上30Å
以下であることが望ましい。
【0032】また、図示していないが、反強磁性層1
5、16上に更に電極層を設けてもよい。
【0033】次に、本発明のMTJ素子を磁気メモリに
用いた場合について説明する。
【0034】強磁性層11の磁化は、環状の閉磁路構造
を有し、右回りまたは左回りの磁化となり、この磁化の
方向によって“0”、“1”の情報を記憶する。さら
に、この強磁性層11は環状の閉磁路構造を有している
ことから、磁化方向は右回りもしくは左回りの閉じた磁
化となり、端部磁極は発生しない。
【0035】強磁性層13、14の磁化方向は反強磁性
層15、16との交換結合で固定されている。特に、強
磁性層13、14の磁化方向は互いに反平行となるよう
に固定されている。
【0036】本発明のMTJ素子に情報を書込む場合に
は、書きこむ情報に応じて、強磁性層11の磁化方向が
右回りまたは左回りの磁化となるように、TMR素子1
の近傍に配置された電流線に電流を流して、所望の磁界
を発生させる。特に、環状構造を有する強磁性層11の
中央に電流線を通すことにより、書込みに必要な電流値
を低減することが可能である。
【0037】次に、情報の読み出しについて説明する。
強磁性層11の磁化が右回りの場合には、強磁性層11
の磁化と、強磁性層13、14の磁化とが平行となり、
MTJ素子の抵抗値は低くなる。一方、強磁性層11の
磁化が左回りの場合(図1の状態)には、強磁性層11
の磁化と、強磁性層13、14の磁化とが反平行とな
り、MTJ素子の抵抗値が高くなることを利用して情報
を読み出す。
【0038】MTJ素子1の抵抗値を検出するための電
流は、反強磁性層16、強磁性層14、絶縁層12、強
磁性層11と図1紙面の上から下へ、その後、強磁性層
11内を図1紙面の左から右へ、その後、絶縁層12、
強磁性層13、反強磁性層15と図1紙面の下から上へ
の方向、或いはその逆方向に流される。
【0039】このように電流を流すことによって、トン
ネル接合部が2個所直列に接続されることから、単一の
トンネル接合を有する従来のTMR素子に比較して略2
倍の出力を得ることができる。
【0040】図1では、強磁性層11の形状はロの字状
であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、そ
の外形は三角形、円や楕円等であってもよく、少なくと
も強磁性層11の磁化が閉じる構造となるような形状で
あればどんな形状でもよい。
【0041】また、本発明のMTJ素子は、強磁性層1
1上のいずれかの2箇所の位置に、それぞれ電気的に分
離するように、絶縁層12を介して磁化の方向が固定さ
れた強磁性層13、14を積層したものであればよい。
また、固定される強磁性層13、14の磁化の向きは、
強磁性層11のある磁化の向きに平行で、他の磁化の向
きと反平行となるようにすればよい。
【0042】また、上述では、MTJ素子1の抵抗を検
出するための電流は、強磁性層11を流れる構成となっ
ており、強磁性層11の膜厚が薄い場合には素子の抵抗
値が増加する可能性が有る。そこで、強磁性層11の下
にTa、Ti等の導電層を設けることにより、素子の抵
抗を低減することができる。
【0043】また、上述では、強磁性層13、14の磁
化は反強磁性層15、16との交換結合により固定され
ているが、保持力の大きい強磁性材料を使用する等のそ
の他の手段をとることも可能である。
【0044】また、金属層を介して反強磁性結合する二
つの強磁性層で強磁性層13、14を構成することによ
り、端部に生じる磁極の影響を軽減できる。
【0045】また、強磁性層13、14を例えば補償点
近傍組成の希土類−遷移金属合金膜のようなフェリ磁性
材料で構成しても同様に端部の磁極の影響を低減でき
る。
【0046】上述では、MTJ素子部分のみを示した
が、実際の素子形成においては電流供給用のリード、基
板、保護層及び密着層等が必要となることは明らかであ
る。
【0047】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、従来の
素子に比較して略2倍の出力が得られると同時に、端部
磁極の影響を低減できることから、パターンが微細化さ
れても十分大きな出力が得られるとともに、安定した磁
化状態を保持することができる。従って、より高い集積
度の磁気メモリを実現することができる。また、メモリ
層となる強磁性層が閉磁路構造を取ることから、外部漏
洩磁界に対して安定となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のMTJ素子の構成例を示す図である。
【図2】従来のMTJ素子の構成例を示す図である。
【図3】従来のMTJ素子の他の構成例を示す図であ
る。
【符号の説明】
1、2、3:MTJ素子 11、13、14:強磁性層 12:絶縁層 15、16:反強磁性層 21:反強磁性層 22、24:強磁性層 23:絶縁層 31、37:反強磁性層 32、34、36:強磁性層 33、35:絶縁層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 林 秀和 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 Fターム(参考) 5D034 BA03 BA05 BA08 BA15

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 閉磁路構造を有する第1の強磁性層上
    に、絶縁層を介して、磁化の方向が固定された2つの第
    2の磁性層を互い電気的に分離するように積層したこと
    を特徴とする磁気トンネル接合素子。
  2. 【請求項2】 前記第2の強磁性層上に交換結合する反
    強磁性層をそれぞれ積層したことを特徴とする請求項1
    記載の磁気トンネル接合素子。
  3. 【請求項3】 閉磁路構造を有する第1の強磁性層上
    に、絶縁層を介して、磁化の方向が固定された2つの第
    2の磁性層を互い電気的に分離するように積層した磁気
    トンネル接合素子を用いたことを特徴とする磁気メモ
    リ。
  4. 【請求項4】 書込み用電流線を前記第1の強磁性層の
    中央部に配置することを特徴とする請求項3記載の磁気
    メモリ。
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