JP2004040028A

JP2004040028A - 磁気ランダムアクセスメモリおよび磁気メモリセル

Info

Publication number: JP2004040028A
Application number: JP2002198489A
Authority: JP
Inventors: Makoto Saito; 斎藤　眞
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-07-08
Filing date: 2002-07-08
Publication date: 2004-02-05

Abstract

【課題】磁気ランダムアクセスメモリにおいて、特定の磁気メモリセルの磁化方向を容易に制御できる手段、および磁気メモリセルの磁化を安定させる手段を提供する。
【解決手段】磁気メモリセルの形状を磁性体に特有の反磁界係数を磁性膜の面内で極力一様になる形状例えば円形または楕円形とし、その長軸方向をワード線とセンス線の交差角に挟まれた方向とする。
【効果】選択した磁気メモリセルの磁化方向が制御し易くなるとともに、磁化を安定化させることが可能となる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気メモリセルおよび磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気ランダムアクセスメモリは、複数のワード線とこのワード線とマトリックス状に配置される複数のセンス線およびこれらのワード線とセンス線の交差領域に配置された磁気メモリセルにより構成されている。
【０００３】
磁気メモリセルは、通常、複数の強磁性層、金属層、その他より成り、複数の強磁性層相互の磁化方向状態により磁気メモリセルの電気抵抗が変わる現象（磁気抵抗効果）を利用している。
【０００４】
一例として直交状態のワード線とセンス線の交点に磁気メモリセルとしてトンネル効果素子を配置した第一の従来技術が特開２０００−３１５３８２号に開示されている。
【０００５】
上述の第一の従来技術で用いられているトンネル効果素子では第一の強磁性層と第二の強磁性層が絶縁層を介して積層されている。第一の強磁性層の形状は示されていないが、第二の強磁性層の形状は矩形をなしており、その長辺がワード線の方向に平行であることが当該号の図２に示されている。
【０００６】
この磁気メモリセルへの情報の記録は、ワード線とセンス線に電流を流し、その電流により発生した合成磁界により２つの強磁性層の磁化方向を互いに平行または逆方向にすることにより行なっている。
【０００７】
当該号において、磁化方向そのものについては明示されていないが、第二の強磁性層の長辺方向（ワード線に平行）が磁化容易軸となるように作られていると思われる。
【０００８】
磁気メモリセルとしてトンネル効果素子を用いている第二の従来技術として特開平１０−００４２２７号が開示されている。
【０００９】
この第二の従来技術では、拘束強磁性層（第一の従来技術で第一の強磁性層に相当）とフリー強磁性層（第一の従来技術で第二の強磁性層に相当）の磁化容易軸方向が互いに平行となるように、かつ、下方の配線層（第一の従来技術でワード線に相当）の長手方向に平行となるよう形成されている。
【００１０】
フリー強磁性層の形状は長辺方向が８μｍ、短辺方向が２μｍの矩形で、磁化容易軸は長辺方向すなわちワード線方向となっている。
【００１１】
情報の記録は上部の配線層（第一の従来技術でセンス線に相当）と下方の配線層に電流を流すことによりその合成磁界でフリー強磁性層の磁化方向を拘束強磁性層の磁化方向と平行または逆平行にすることにより行なっている。
【００１２】
上述したように、磁気メモリセルでの情報の記憶はフリー強磁性層の磁化方向が固定強磁性層（第一の従来技術で第一の強磁性層に相当）の磁化方向と平行か逆平行かの状態を区別することにより行なわれる。このため、フリー強磁性層の磁化状態を一様かつ安定に保持することがメモリセルの特性として重要である。
【００１３】
磁性体には高橋秀俊・著「電磁気学　９版」（裳華房１９６６年）１７１ページで述べられているように、自分自身の磁化状態を弱める反磁界という現象がある。この反磁界の影響を小さくすることすなわち、反磁界の大きさを小さくすることおよび強磁性層の面内で反磁界を一様にすることが強磁性層の磁化状態を安定に保持することに繋がる。
【００１４】
第一および第二の従来技術においては、フリー強磁性層の形状は矩形をなしている。矩形の反磁界は一様ではなく、特に四隅において大きくかつその方向も本来の磁化方向から傾いた状態となる。このため、従来技術に示された磁気メモリセルでは磁気的な安定性が得にくいという問題がある。
【００１５】
次に、磁気メモリセルに情報を記録する場合につき示す。
上述した従来技術ではワード線およびセンス線に流す電流により生じる磁界でフリー強磁性層の磁化方向を決めることで情報を磁気メモリセルに記録している。
【００１６】
電流の作る磁界方向は電流の方向（ここではワード線またはセンス線の方向）に垂直な方向であるため、記録用の電流をワード線よりもセンス線に流す方がフリー強磁性層の磁化方向を設定しやすい。これは、フリー強磁性層の磁化容易軸方向（フリー強磁性層の長辺方向）にセンス線が垂直なためである。しかしこのことは、同一のセンス線に接続された複数の磁気メモリセルの磁化方向を同じ方向にしてしまう恐れがあることを意味している。すなわち、特定の磁気メモリセルだけの磁化方向を制御するのが困難であるという問題がある。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
磁気ランダムアクセスメモリにおける磁気的な安定性が得にくく、かつ特定の磁気メモリセルだけの磁化方向を制御するのが困難であるという問題を解決することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明による磁気ランダムアクセスメモリは、前述の特徴を備えた磁気メモリセルを、ワード線とセンス線の交差領域に配置することを特徴とする。
【００１９】
更に、本発明による磁気メモリセルは反磁界による磁化状態におよぼす影響が出にくい形状、例えば強磁性層の平面形状を円形または楕円形とすることを特徴とする。
【００２０】
更に、本発明による磁気メモリセルは強磁性層の磁化容易軸方向をその長軸方向とすることを特徴とする。
【００２１】
更に、本発明による磁気メモリセルは強磁性層の長軸長さ／短軸長さの比率（以下、長短比率と述べる）を３以上とすることを特徴とする。
【００２２】
更に、本発明による磁気メモリセルは磁気抵抗素子としてトンネル効果素子であることを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、図１、図２、および、図３を用いて説明する。
【００２４】
図２は本発明の実施形態による磁気ランダムアクセスメモリの構成を示す図である。メモリブロック１０１、列デコーダ２０１、２０２および行デコーダ３０１、３０２により構成されている。
【００２５】
メモリブロック１０１は複数の磁気メモリセル１１、１２、…、２１、２２、…より構成されている。磁気メモリセルはワード線２１１、２１２、…とセンス線３１１、３１２、…の交差領域に配置されている。図２においては、磁気メモリセルの強磁性層長軸方向を理解し易いように楕円で模式的に示している。楕円の長軸方向が磁気メモリセルの強磁性層磁化容易軸方向を示している。
【００２６】
デコーダは行デコーダ２０１、２０２および列デコーダ３０１、３０２より構成されており，これらのデコーダには磁気メモリセルの位置情報を伝えるアドレスバス（図示せず）および情報の記録・再生を制御するコントロールバス（図示せず）が接続されている。
【００２７】
図１はメモリブロックの交差領域を示す平面図である。ワード線２１１とセンス線３１１が直交しており、その交差領域で磁気メモリセル１１を挟み込む構造になっている。磁気メモリセルの強磁性層の平面形状は長軸長さ例えば４．５μｍ、短軸長さ１．５μｍの楕円形である。長軸の方向はワード線２１１とセンス線３１１に対しそれぞれ４５度の方向である。
【００２８】
図３に図１に示した磁気メモリセル１１のＡＡ’部における断面構造を示す。基板１０２上に下部配線層となるワード線２１１を形成する。このワード線上に磁気メモリセルの電気抵抗変化スタック４０１を形成し、さらにその上に、上部配線層となるセンス線３１１を形成する。
【００２９】
電気抵抗変化スタック４０１はワード線２１１上に、例えば、厚さ３０ｎｍの反強磁性層４０３、厚さ５ｎｍの固定強磁性層４０４、トンネル絶縁層４０５、厚さ７ｎｍのフリー強磁性層４０６が積層されている。
【００３０】
反強磁性層４０３は例えばＰｔ−Ｍｎのような磁性材料を用い、強磁性層４０４、４０６には例えばＣｏ−Ｆｅのような強磁性材料を用いる。強磁性層４０４、４０６はそれぞれＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉからなる強磁性層や酸化物層を複数層積層して構成することもある。
【００３１】
トンネル絶縁層４０５は例えば厚さ１．５ｎｍのＡｌの薄層を形成後プラズマ酸化させることにより得ることができる。
【００３２】
固定強磁性層４０４とフリー強磁性層４０６の磁化方向が同一方向のとき電気抵抗変化スタック４０１の電気抵抗は低い状態である。固定強磁性層４０４とフリー強磁性層４０６の磁化方向が互いに逆方向のとき電気抵抗変化スタック４０１の電気抵抗は高い状態となる。これら２つの状態を制御することにより磁気メモリセルに情報を記憶する。
【００３３】
電気抵抗変化スタック４０１の平面形状は前述した如く長軸長さ４．５μｍ、短軸長さ１．５μｍの楕円形をなしているが、後述するように、フリー強磁性層４０６以外は必ずしも楕円形である必要は無い。本実施形態例では製造プロセスの手順の都合により反強磁性層４０３からフリー強磁性層４０６までをほぼ同一の楕円形状に形成している。
【００３４】
電気抵抗変化スタック４０１の周囲にはセンス線とワード線の絶縁のため、絶縁層４０２を配設する。絶縁層４０２には例えばＡｌ２Ｏ３を用いる。
【００３５】
次に、磁気メモリセル１１に情報を書き込む方法について説明する。磁気メモリセル１１で交差するワード線２１１とセンス線３１１に電流を流すと、これらの線の周囲に磁界が発生する。特に、ワード線２１１とセンス線３１１の交差領域ではこれらの線のなす交差角に挟まれた中間方向を向いた合成磁界が発生する。この合成磁界でフリー強磁性層の磁化方向を制御する事により、抵抗変化スタック４０１の電気抵抗を高・低２つの状態に制御する。
【００３６】
図１に示したワード線２１１とセンス線３１１に矢印５０１、５０２で示した方向に電流を流すと、ワード線２１１とセンス線３１１の作る合成磁界によりフリー強磁性層の磁化は矢印５０３の示す方向を向く。このときワード線２１１とセンス線３１１に流す電流は同じ電流値である必要はなく、ワード線２１１またはセンス線３１１のいずれかに電流を流したときにはフリー強磁性層４０６の磁化方向を変えず、両方の線に電流を流したときの合成磁界でフリー強磁性層４０６の磁化方向を変えられる値で良い。また、固定強磁性層４０４の磁化方向は反強磁性層４０３との交換結合で拘束されているが、前述した合成磁界はこれらの固定強磁性層４０４、反強磁性層４０３の磁化状態を壊すほどの磁界強さであってはならない。
【００３７】
本実施形態では強磁性層の長軸方向とワード線２１１のなす角度を４５度とした場合を述べているが、この角度を３０〜６０度の範囲において、ワード線２１１とセンス線３１１に流す電流値を調整することにより抵抗変化スタック４０１の磁化状態を制御することができる。
【００３８】
また、フリー強磁性層４０６の磁化方向を矢印５０３と逆の方向にしたいときには、ワード線２１１とセンス線３１１に流す電流の向きを矢印５０１、５０２と逆の方向にすれば良い。
【００３９】
以上述べたように、磁気メモリセル１１への情報の記録はフリー強磁性層４０６の磁化方向を制御することであり、その磁化状態を安定に保つことが情報の安定保持に繋がる。
【００４０】
本発明による磁気ランダムアクセスメモリにおいては、磁気メモリセルの磁化容易軸方向をワード線とセンス線の交差角に挟まれた方向としているため、選択した磁気メモリセルの磁化方向が制御しやすい。
【００４１】
さらに、本実施形態ではフリー強磁性層４０６の平面形状が反磁界の影響を受けにくい形状、例えば楕円形であるためその反磁界はフリー強磁性層面内で略一様であり、端部における磁区を形成しにくく、フリー強磁性層４０６の面内で一様な磁化の方向および強さを実現し易いという特徴を持っている。
【００４２】
次に長短比率とフリー強磁性層の磁化状態について述べる。平面形状が円形の場合は、楕円形において長軸長さ＝短軸長さの特別の場合と考えることができ、この場合は、全方向を長軸方向と考えることができる。
【００４３】
楕円の長短比率が大きいほど強磁性層が自分自身の磁化から受ける影響は小さくなる。長短比率が１〜３未満の場合には多磁区構造が見られるケースが多かった。特に２未満では端部のみならず、面内全体におよぶ磁区構造が見られることもあった。３以上の場合では上述の多磁区構造が見られることは殆ど無かった。
【００４４】
次に、磁気メモリセルから情報を読み出す方法について説明する。磁気メモリセルに一定電流を流すために、この磁気メモリセルで交差するワード線からセンス線にまたはセンス線からワード線に一定電流が流れるようにする。この状態でワード線とセンス線の間の電位を測定することにより、抵抗変化スタックの抵抗状態を知ることができる。
【００４５】
なお、本発明は、実施形態の説明で用いたトンネル効果素子の磁気メモリセルに限定されるものではなく、磁性層の磁化状態を利用したメモリ動作を行なう素子構造の磁気メモリセルにも適用可能である。
【００４６】
また、実施形態の説明では、磁気メモリセルの形状として、楕円形状の場合を例にとって述べたが、これは強磁性層の面内での反磁界を略一様にするという観点からのものであり、電磁気学的観点からは厳密な定義における円形または楕円形が最適であるが、本特許ではこれに限定するものではなく、類似の効果が期待できる円形状、あるいは楕円状の形状でも良いことは言うまでもない。
【００４７】
さらに、長短比率として３以上としているが、これは上記したように、３以上の場合に多磁区構造がほとんどみられなかったという事実に基づくものではあるが、磁性層の磁気特性、厚さなどにより変わり得るものであり必ずしも長短比率３以上に限定されるものではない。
【００４８】
以上述べたように、磁気メモリセルの形状を、磁性体に特有の反磁界係数を磁性膜の面内で極力一様になる形状例えば強磁性層の平面形状を円形または楕円形とすることにより面内での反磁界が一様となり磁化状態を安定化させることが可能となり、また、上記強磁性層の長軸方向を磁化容易軸方向とすることにより、磁化をさらに安定化させることが可能となる。
【００４９】
また、上記強磁性層の長短比率を３以上にすることにより、強磁性層の磁化をさらに安定化させることが可能となることが、実験により確かめられている。
【００５０】
【発明の効果】
磁気ランダムアクセスメモリにおいて、特定の磁気メモリセルの磁化方向を制御するのを容易とし、かつ磁気的な安定性を増すことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態による磁気ランダムアクセスメモリのワード線、センス線交差領域を示す平面図である。
【図２】本発明の実施形態による磁気ランダムアクセスメモリの構成を示す模式図である。
【図３】本発明の実施形態による磁気ランダムアクセスメモリに用いられる磁気メモリセルの構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１１・・・・・磁気メモリセル、
１２・・・・・磁気メモリセル、
１３・・・・・磁気メモリセル、
２１・・・・・磁気メモリセル、
２２・・・・・磁気メモリセル、
２３・・・・・磁気メモリセル、
１０１・・・・メモリブロック、
１０２・・・・基板、
２０１・・・・列デコーダ、
２０２・・・・列デコーダ、
２１１・・・・ワード線、
２１２・・・・ワード線、
２１３・・・・ワード線、
３０１・・・・行デコーダ、
３０２・・・・行デコーダ、
３１１・・・・センス線、
３１２・・・・センス線、
３１３・・・・センス線、
４０１・・・・電気抵抗変化スタック、
４０２・・・・絶縁層、
４０３・・・・反強磁性層、
４０４・・・・固定強磁性層、
４０５・・・・トンネル絶縁層、
４０６・・・・フリー強磁性層、
５０１・・・・電流の方向を示す矢印、
５０２・・・・電流の方向を示す矢印、
５０３・・・・磁化の方向を示す矢印。

Claims

複数のワード線と複数のセンス線がマトリックス状に配置されその交差領域に磁気メモリセルを配置してなる磁気ランダムアクセスメモリにおいて、前記磁気メモリセルの磁化容易軸方向を、前記ワード線と前記センス線の交差角に挟まれた方向としたことを特徴とした磁気ランダムアクセスメモリ。
請求項１に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、前記磁気メモリセルの磁性層の形状を、反磁界による磁化状態の不安定性が減少する形状としたことを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
請求項２に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、前記磁気メモリセルの磁性層の形状が円形または楕円形であることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
請求項３に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、前記磁気メモリの前記磁性層の磁化容易軸方向を楕円の長軸方向としたことを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
請求項４に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて前記磁気メモリセルの長軸長さ／短軸長さの比率が３以上であることを特徴とした磁気ランダムアクセスメモリ。
請求項１、２、３、４および請求項５のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリに用いられている磁気メモリセルが、第１の磁性層と第２の磁性層と、第１および第２の磁性層の間に絶縁層を介在させてなるトンネル効果素子であることを特徴とする磁気メモリセル。