JP2005116888A - 磁気メモリ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 スピンの向きが固着された第1磁化固着層10cと、書き込み電流によりスピンの向きが可変の磁気記録層10aと、第1磁化固着層と磁気記録層との間に設けられた第1非磁性層10bと、読み出し電流用の第1配線20に電気的に接続され、スピンの向きが固着された第2磁化固着層6と、磁気記録層の第1非磁性層と反対側の面の第1領域と、第2磁化固着層の第1配線に電気的に接続された面と反対側の面との間に設けられた第2非磁性層8と、を備えたメモリセルを含み、磁気記録層の第1非磁性層とは反対側の面の第2領域に、書き込み電流用の第2配線30が電気的に接続され、第1磁化固着層の第1非磁性層と反対側の面が書き込み電流および読み出し電流用の第3配線18に電気的に接続されたことを特徴とする。
【選択図】 図1
Description
Phys.Rev.B54.9353(1996) J.Magn.Magn.Mat.159,L1(1996) J.appl.Phys.81,4880(1997) J.Magn.Magn.Mat.195,L261(1999) PhyS.Rev.B59,11465(1999)
書き込み電流によりスピンの向きが可変の磁気記録層と、前記第1磁化固着層と前記磁気記録層との間に設けられた第1非磁性層と、読み出し電流用の第1配線に電気的に接続され、スピンの向きが固着された第2磁化固着層と、前記磁気記録層の前記第1非磁性層と反対側の面の第1領域と、前記第2磁化固着層の前記第1配線に電気的に接続された面と反対側の面との間に設けられた第2非磁性層と、を備えたメモリセルを含み、前記磁気記録層の前記第1非磁性層とは反対側の面の第2領域に、前記書き込み電流用の第2配線が電気的に接続され、前記第1磁化固着層の前記第1非磁性層と反対側の面が前記書き込み電流および前記読み出し電流用の第3配線に電気的に接続されたことを特徴とする。
本発明の第1実施形態による磁気メモリを図1乃至図3を参照して説明する。図1は、本実施形態による磁気メモリのメモリセルの構成を示す断面図である。本実施形態による磁気メモリは、アレイ状に配置された複数のメモリセル1を有しており、各メモリセル1は、図1に示すように、磁気抵抗効果素子2と、引き出し電極(引き出し配線)18と、ビット線20と、ワード線30と、接続部50と、選択トランジスタ60とを備えている。
ハード層10c側から電子を注入し、ハード層10cでスピン偏極した電子が非磁性層10bを通過し、ソフト層10aへスピントルクを及ぼし、ソフト層10aのスピンが平行→反平行へ反転する。
ソフト層10a側から電子を注入し、ソフト層10aでスピン偏極した電子が非磁性層10bを通過する。その際、ハード層10cのスピンの方向と同じスピンの方向を持つ電子はトンネル確率が高く容易にトンネルするが、反平行のスピンは反射される。ソフト層10aへ反射してきた電子は、ソフト層10aへスピントルクを及ぼし、ソフト層10aのスピンが反平行→平行へ反転する。
次に、第1実施形態による磁気メモリの第1変形例を、図4を参照して説明する。この第1変形例の磁気メモリは、図1に示す第1実施形態の磁気メモリの各メモリセルにおいて、磁気抵抗効果素子2を図4に示す磁気抵抗効果素子に置き換えた構成となっている。図4に示す磁気抵抗効果素子は、ハード層10c、非磁性層10b、およびソフト層10aからなる共通の磁気記録層10上に2つの磁気抵抗効果素子2a、2bを設けた構成となっている。すなわち、磁気抵抗効果素子2aは、ソフト層10aの上面の一部分の領域上に形成された、トンネルバリア層8a、磁化固着層6a、反強磁性層4aからなる積層膜を有し、磁気抵抗効果素子2bは、ソフト層10aの上面の他の部分の領域上に形成された、トンネルバリア層8b、磁化固着層6b、反強磁性層4bからなる積層膜を有している。そして、磁気抵抗効果素子2aの反強磁性層4aはビット線20に接続され、磁気抵抗効果素子2bの反強磁性層4bは、キャップ層20aおよびビア27を介してワード線30に接続される構成となっている。
次に、第1実施形態による磁気メモリの第2変形例を、図5を参照して説明する。この第2変形例の磁気メモリは、図1に示す第1実施形態の磁気メモリの各メモリセルにおいて、磁気抵抗効果素子2を図5に示す磁気抵抗効果素子に置き換えた構成となっている。図5に示す磁気抵抗効果素子は、図1に示す磁気抵抗効果素子2の磁気記録層10のハード層10cと下地層16との間に反強磁性層12を設けた構成となっている。この反強磁性層12との交換結合力によってハード層10cの磁化(スピン)の向きが固着される。
次に、本発明の第2実施形態による磁気メモリを、図6乃至図8を参照して説明する。図6は、本実施形態による磁気メモリのメモリセルの構成を示す断面図である。この実施形態による磁気メモリのメモリセル1Aは、図1に示す第1実施形態の磁気メモリの各メモリセルにおいて、磁気抵抗効果素子2を磁気抵抗効果素子2Aに置き換えた構成となっている。磁気抵抗効果素子2Aは、図1に示す磁気抵抗効果素子1の磁気記録層10のソフト層10aを、磁性層10a1、非磁性導電層10a2、磁性層10a3からなる3層構造とし、ハード層10cを、磁性層10c1、非磁性導電層10c2、磁性層10c3からなる3層構造とした構成となっている。ソフト層10aの磁性層10a1と磁性層10a3は強磁性結合をし、ハード層10cの磁性層10c1と磁性層10c3は反強磁性結合をしている。なお、ビット線20は本体部(破線部分)がワード線30と略並行に配置され、上記本体部から分岐した分岐部に磁気抵抗効果素子2の反強磁性層4が接続されるように構成されている。
次に、第2実施形態による磁気メモリの第1変形例を、図7を参照して説明する。この第1変形例の磁気メモリは、図6に示す第2実施形態の磁気メモリの各メモリセルにおいて、磁気抵抗効果素子2Aを図7に示す磁気抵抗効果素子に置き換えた構成となっている。図7に示す磁気抵抗効果素子は、ハード層10c、非磁性層10b、およびソフト層10aからなる共通の磁気記録層10上に2つの磁気抵抗効果素子2a、2bを設けた構成となっている。すなわち、磁気抵抗効果素子2aは、ソフト層10aの上面の一部分の領域上に形成された、トンネルバリア層8a、磁化固着層6a、反強磁性層4aからなる積層膜を有し、磁気抵抗効果素子2bは、ソフト層10aの上面の他の部分の領域上に形成された、トンネルバリア層8b、磁化固着層6b、反強磁性層4bからなる積層膜を有している。そして、磁気抵抗効果素子2aの反強磁性層4aはビット線20に接続され、磁気抵抗効果素子2bの反強磁性層4bは、キャップ層20aおよびビア27を介してワード線30に接続される構成となっている。なお、ソフト層10aは、第2実施形態と同様に、磁性層10a1、非磁性導電層10a2、磁性層10a3からなる積層構造であり、ハード層10cは、磁性層10c1、非磁性導電層10c2,磁性層10c3からなる積層構造である。
次に、第2実施形態による磁気メモリの第2変形例を、図8を参照して説明する。この第2変形例の磁気メモリは、図6に示す第2実施形態の磁気メモリの各メモリセルにおいて、磁気抵抗効果素子2Aを図8に示す磁気抵抗効果素子に置き換えた構成となっている。図8に示す磁気抵抗効果素子は、図6に示す磁気抵抗効果素子2の磁気記録層10のハード層10cと下地層16との間に反強磁性層12を設けた構成となっている。この反強磁性層12との交換結合力によってハード層10cの磁化(スピン)の向きが固着される。
次に、本発明の第3実施形態による磁気メモリを、図9乃至図11を参照して説明する。図9は、本実施形態による磁気メモリのメモリセルの構成を示す断面図である。この実施形態による磁気メモリのメモリセル1Bは、図1に示す第1実施形態の磁気メモリの各メモリセルにおいて、磁気抵抗効果素子2を磁気抵抗効果素子2Bに置き換えた構成となっている。磁気抵抗効果素子2Bは、図1に示す磁気抵抗効果素子2において、磁化固着層6をスピンモーメントが膜厚方向(膜面に垂直方向)に向いた磁化固着層5に置き換えるとともに、磁気記録層10をスピンモーメントが膜厚方向に向いた磁気記録層9に置き換えた構成となっている。磁気記録層9は、磁化の向きが可変の磁性層からなるソフト層9aと、非磁性導電層9bと、磁化の向きが磁化固着層6の磁化の向きと反対の磁性層からなるハード層9cを有している。
次に、第3実施形態による磁気メモリの第1変形例を、図10を参照して説明する。この第1変形例の磁気メモリは、図9に示す第1実施形態の磁気メモリの各メモリセルにおいて、磁気抵抗効果素子2Bを図10に示す磁気抵抗効果素子に置き換えた構成となっている。図10に示す磁気抵抗効果素子は、ハード層9c、非磁性層9b、およびソフト層9aからなる共通の磁気記録層9上に2つの磁気抵抗効果素子2a、2bを設けた構成となっている。すなわち、磁気抵抗効果素子2aは、ソフト層9aの上面の一部分の領域上に形成された、トンネルバリア層8a、磁化固着層5a、反強磁性層4aからなる積層膜を有し、磁気抵抗効果素子2bは、ソフト層9aの上面の他の部分の領域上に形成された、トンネルバリア層8b、磁化固着層5b、反強磁性層4bからなる積層膜を有している。そして、磁気抵抗効果素子2aの反強磁性層4aはビット線20に接続され、磁気抵抗効果素子2bの反強磁性層4bは、キャップ層20aおよびビア27を介してワード線30に接続される構成となっている。
次に、第3実施形態による磁気メモリの第2変形例を、図11を参照して説明する。この第2変形例の磁気メモリは、図9に示す第1実施形態の磁気メモリの各メモリセルにおいて、磁気抵抗効果素子2Bを図11に示す磁気抵抗効果素子に置き換えた構成となっている。図11に示す磁気抵抗効果素子は、図9に示す磁気抵抗効果素子2の磁気記録層9のハード層9cと下地層16との間に反強磁性層12を設けた構成となっている。この反強磁性層12との交換結合力によってハード層9cの磁化(スピン)の向きが固着される。なお、反強磁性層12は、ハード層9cの下面および側面を覆っている。
次に、本発明の第4実施形態による磁気メモリを、図12を参照して説明する。図12は、本実施形態による磁気メモリのメモリセルの構成を示す断面図である。この実施形態による磁気メモリのメモリセル1Cは、図1に示す第1実施形態の磁気メモリの各メモリセルにおいて、磁気抵抗効果素子2を磁気抵抗効果素子2Cに置き換えた構成となっている。
次に、本発明の第5実施形態による磁気メモリを、図13を参照して説明する。図13は、本実施形態による磁気メモリのメモリセルの構成を示す断面図である。この実施形態による磁気メモリのメモリセル1Dは、図12に示す第4実施形態の磁気メモリ1Cにおいて、磁気抵抗効果素子2Cを磁気抵抗効果素子2Dに置き換えた構成となっている。
次に、本発明の第6実施形態による磁気メモリを、図14を参照して説明する。図14は、本実施形態による磁気メモリのメモリセルの構成を示す断面図である。本実施形態による磁気メモリは、アレイ状に配置された複数のメモリセル1Eを有しており、各メモリセル1Eは、図14に示すように、磁気抵抗効果素子2Ea、2Ebと、引き出し部28と、ビット線20a、20bと、ワード線30と、接続部50と、選択トランジスタ60とを備えている。接続部50は、接続プラグ52、54、56を有しており、選択トランジスタ60は、ゲート62と、ドレイン64と、ソース66とを有している。なお、図14においては、ワード線30の断面と選択トランジスタ60の断面があたかも同一断面となるように記載されているが、実際には選択トランジスタ60の断面は、ワード線30の断面と略直交する位置における断面である。すなわち、ワード線30と選択トランジスタ60のゲート62は、略直交するように配置されている。
次に、本発明の第7実施形態による磁気メモリを図16を参照して説明する。図16は、本実施形態による磁気メモリのメモリセルの構成を示す断面図である。本実施形態による磁気メモリは、アレイ状に配置された複数のメモリセル1Fを有しており、各メモリセル1Fは、図16に示すように、磁気抵抗効果素子2Fa、2Fbと、引き出し部28と、ビット線20a、20bと、ワード線30と、接続部50と、選択トランジスタ60とを備えている。接続部50は、接続プラグ52、54、56を有しており、選択トランジスタ60は、ゲート62と、ドレイン64と、ソース66とを有している。
次に、本発明の第8実施形態による磁気メモリを、図19を参照して説明する。図19は、本実施形態による磁気メモリのメモリセルの構成を示す断面図である。本実施形態による磁気メモリは、アレイ状に配置された複数のメモリセル1Gを有しており、各メモリセル1Gは、図19に示すように、磁気抵抗効果素子21、22と、引き出し電極18と、ビット線20と、ワード線30と、磁気抵抗効果素子40と、接続部50と、選択トランジスタ60とを備えている。接続部50は、接続プラグ52、54、56を有しており、選択トランジスタ60は、ゲート62と、ドレイン64と、ソース66とを有している。接続プラグ56はドレイン64と電気的に接続される。
次に、本発明の第8実施形態の変形例による磁気メモリの構成を図22に示す。この変形例による磁気メモリは、第8実施形態の磁気メモリにおいて、磁気記録層101と、磁性層41との反強磁性結合の強さを調整するために、引き出し電極18の一部に磁性層からなる、または磁性層/非磁性層からなる膜19を挿入したものである。磁気記録層101と磁性層41の相互作用は、その絶対値が0.2erg/cm2以下、より好ましくは0.1erg/cm2以下であることが好ましい。この大きさ以下では、熱擾乱耐性、磁気抵抗曲線の角型比など好ましい特性を得ることができる。
次に、本発明の第9実施形態による磁気メモリの構成を図23に示す。図23は、本実施形態による磁気メモリのメモリセルの構成を示す断面図である。この実施形態による磁気メモリは、図19に示す第8実施形態による磁気メモリにおいて、ビット線20の下方に、スピン注入時に微弱な電流磁界を、磁気記録層101のスピンモーメントの磁化容易軸方向に印加するためのデジット線70を設けた構成となっている。これは、スピントルクは、スピンモーメントが多少でも傾いていると有効にスピン反転するためである。なお、電流磁界をより小さな電流で発生させるために、デジット線70の下面および側面が磁性膜70aによって被覆されている。したがって、第8実施形態の場合よりも、より小さな電流で書き込みを行うことが可能となり、消費電力を少なくすることができる。なお、ビット線20の下方にデジット線70を設けたことにより、接続部50Aは、接続プラグ52と接続プラグ54との間に、接続プラグ53が設けられた構成となる。この接続プラグ53の下面および側面はデジット線70と同様に磁性膜53aによって被覆されている。
次に、本発明の第10実施形態による磁気メモリの構成を図24、図25に示す。図24は、本実施形態による磁気メモリのメモリセルの構成を示す断面図であり、図25は、図24に示す切断線A−Aによって切断した断面図である。この実施形態による磁気メモリは、図6に示す第2実施形態による磁気メモリにおいて、引き出し電極18の下方に、スピン注入時に微弱な電流磁界を、磁気記録層10のスピンモーメントの磁化容易軸方向に印加するためのデジット線70を設けた構成となっている。なお、電流磁界をより小さな電流で発生させるために、デジット線70の下面および側面が磁性膜70aによって被覆されている。したがって、第2実施形態の場合よりも、より小さな電流で書き込みを行うことが可能となり、消費電力を少なくすることができる。なお、接続部50の接続プラグ52は、下面および側面がデジット線70と同様に磁性膜52aによって被覆されている。
次に、本発明の第11実施形態による磁気メモリの構成を図27を参照して説明する。図27は、本実施形態による磁気メモリのメモリセルの構成を示す断面図である。本実施形態による磁気メモリは、図12に示す第4実施形態による磁気メモリにおいて、ビット線20の下方、スピン注入時に微弱な電流磁界を、磁気記録層10のスピンモーメントの磁化容易軸方向に印加するためのデジット線70を設けた構成となっている。なお、電流磁界をより小さな電流で発生させるために、デジット線70の下面および側面が磁性膜70aによって被覆されている。このようにデジット線70を設けるとともにデジット線70を磁性膜で被覆したことにより、第4実施形態の場合よりも、より小さな電流で書き込みを行うことが可能となり、消費電力を少なくすることができる。なお、接続部50の接続プラグ54は、下面および側面がデジット線70と同様に磁性膜54aによって被覆されている。
次に、本発明の第12実施形態による磁気メモリの構成を図29に示す。図29は、本実施形態による磁気メモリのメモリセルの構成を示す断面図である。本実施形態による磁気メモリは、図14に示す第6実施形態の磁気メモリにおいて、ワード線30の下方に、スピン注入時に微弱な電流磁界を、磁気記録層10のスピンモーメントの磁化容易軸方向に印加するためのデジット線70を設けた構成となっている。なお、電流磁界をより小さな電流で発生させるために、デジット線70の下面および側面が磁性膜70aによって被覆されている。このようにデジット線70を設けるとともにデジット線70を磁性膜で被覆したことにより、第6実施形態の場合よりも、より小さな電流で書き込みを行うことが可能となり、消費電力を少なくすることができる。なお、図29においては、ワード線30の断面と選択トランジスタ60の断面があたかも同一断面となるように記載されているが、実際には選択トランジスタ60の断面は、ワード線線30の断面と略直交する位置における断面である。すなわち、ワード線30と選択トランジスタ60のゲート62は、略直交するように配置されている。
まず、第1実施例として、図4に示す本発明の第1実施形態の第2変形例による磁気メモリのメモリセルを作成した。この第1実施例の製造方法を図34乃至〜図41に示す。
次に、第2実施例として、図19に示した第8実施形態による磁気メモリを作製した。この第2実施例の磁気メモリの製造方法を、図42乃至図57に示す。
本発明の第3実施例として、図23に示したアーキテクチャを有するメモリセルを作製した。この実施例のプロセス工程は、第2実施例にデジット線70を設けただけで、上記第2実施例のプロセス工程と同様である。また、膜構造,SiOx設計膜厚などの条件も同様にした。第2実施例よりもどの程度スピン注入電流が減少できるか調べた。その際、書き込み方法は、図32、図33で説明した方法を用いた。
1A〜1G メモリセル
2 磁気抵抗効果素子
2A〜2G 磁気抵抗効果素子
4 反強磁性層
5 磁化固着層
6 磁化固着層
8 トンネルバリア層
10 磁気記録層
16 下地層
18 引き出し電極(引き出し配線)
20 ビット線
30 ワード線
32 接続部
50 接続部
52 接続プラグ
54 接続プラグ
56 接続プラグ
60 選択トランジスタ
62 ゲート
64 ドレイン
66 ソース
Claims (11)
- スピンの向きが固着された第1磁化固着層と、
書き込み電流によりスピンの向きが可変の磁気記録層と、
前記第1磁化固着層と前記磁気記録層との間に設けられた第1非磁性層と、
読み出し電流用の第1配線に電気的に接続され、スピンの向きが固着された第2磁化固着層と、
前記磁気記録層の前記第1非磁性層と反対側の面の第1領域と、前記第2磁化固着層の前記第1配線に電気的に接続された面と反対側の面との間に設けられた第2非磁性層と、
を備えたメモリセルを含み、前記磁気記録層の前記第1非磁性層とは反対側の面の第2領域に、前記書き込み電流用の第2配線が電気的に接続され、前記第1磁化固着層の前記第1非磁性層と反対側の面が前記書き込み電流および前記読み出し電流用の第3配線に電気的に接続されたことを特徴とする磁気メモリ。 - 前記メモリセルは、前記第2配線に電気的に接続された第3磁化固着層と、前記第3磁化固着層の前記第2配線に電気的に接続された面と反対側の面と前記磁気記録層の前記第2領域との間に設けられた第3非磁性層と、を更に備えたことを特徴とする請求項1記載の磁気メモリ。
- 前記第2非磁性層はトンネルバリア層であることを特徴とする請求項1または2記載の磁気メモリ。
- スピンの向きが固着された第1磁化固着層と、
書き込み電流によりスピンの向きが可変の磁気記録層と、
前記第1磁化固着層と前記磁気記録層との間に設けられた第1非磁性層と、
読み出し電流および前記書き込み電流用の第1配線に電気的に接続され、スピンの向きが固着された第2磁化固着層と、
前記第2磁化固着層の前記第1配線に電気的に接続された面と反対側の面と、前記磁気記録層の前記第1非磁性層と反対側の面の第1領域との間に設けられた第2非磁性層と、
を備えたメモリセルを含み、前記磁気記録層の前記第1非磁性層とは反対側の面の第2領域に、前記書き込み電流用の第2配線が電気的に接続され、前記第1磁化固着層の前記第1非磁性層と反対側の面が前記読み出し電流用の第3配線に電気的に接続されたことを特徴とする磁気メモリ。 - 前記第1非磁性層はトンネルバリア層であることを特徴とする請求項4記載の磁気メモリ。
- 書き込み電流用の第1配線に電気的に接続され、スピンの向きが固着された第1磁化固着層と、
前記書き込み電流によりスピンの向きが可変の磁気記録層と、
前記第1磁化固着層の前記第1配線に電気的に接続された面と反対側の面と、前記磁気記録層との間に設けられた第1非磁性層と、
第1読み出し電流用の第2配線に電気的に接続され、スピンの向きが固着された第2磁化固着層と、
第2読み出し電流用の第3配線に電気的に接続され、スピンの向きが固着された第3磁化固着層と、
前記磁気記録層の前記第1非磁性層と反対側の面の第1領域と、前記第2磁化固着層の前記第2配線に電気的に接続された面と反対側の面との間に設けられた第2非磁性層と、
前記磁気記録層の前記第1非磁性層と反対側の面の第2領域と、前記第3磁化固着層の前記第3配線に電気的に接続された面と反対側の面との間に設けられた第3非磁性層と、
を備えたメモリセルを含み、
前記磁気記録層の前記第1非磁性層と反対側の面の第3領域に前記書き込み電流および前記読み出し電流用の第4配線が電気的に接続されたことを特徴とする磁気メモリ。 - 前記第2および第3非磁性層はトンネルバリア層であることを特徴とする請求項6記載の磁気メモリ。
- 読み出し電流および書き込み電流用の第1配線と、
前記第1配線の一方の側に電気的に接続され、スピンの向きが可変の磁気記録層と、
前記読み出し電流用の第2配線に電気的に接続され、スピンの向きが固着された第1磁化固着層と、
前記磁気記録層と前記第1磁化固着層との間に設けられた第1非磁性層と、
前記第1配線の他方の側に電気的に接続され、前記磁気記録層と反強磁性結合または静磁結合する少なくとも1層の第1磁性層と、
前記書き込み電流用の第3配線に電気的に接続され、磁化の向きが固着された第2磁化固着層と、
前記第1磁性層と前記第2磁化固着層との間に設けられた第2非磁性層と、
を備えたメモリセルを含むことを特徴とする磁気メモリ。 - 前記第2配線は中に第2磁性層を含む非磁性導電層からなることを特徴とする請求項8記載の磁気メモリ。
- 前記第1非磁性層はトンネルバリア層であることを特徴とする請求項8または9記載の磁気メモリ。
- 前記磁気記録層の近傍に電流磁界を印加するためのデジット線を更に備えたことを特徴とする請求項1乃至10記載の磁気メモリ。
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