JP2005183826A - Magnetic memory - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁気メモリに係わり、不揮発メモリに用いて好適なものである。 The present invention relates to a magnetic memory and is suitable for use in a nonvolatile memory.
コンピュータ等の情報機器では、ランダム・アクセス・メモリとして、動作が高速で、高密度なDRAMが広く使われている。
しかし、DRAMは電源を切ると情報が消えてしまう揮発性メモリであるため、情報が消えない不揮発のメモリが望まれている。
In information devices such as computers, DRAMs with high speed and high density are widely used as random access memories.
However, since DRAM is a volatile memory in which information disappears when the power is turned off, a nonvolatile memory in which information does not disappear is desired.
そして、不揮発メモリの候補として、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)が注目され、開発が進められている(例えば非特許文献1参照)。 As a candidate for a non-volatile memory, a magnetic random access memory (MRAM) that records information by magnetization of a magnetic material has attracted attention and is being developed (for example, see Non-Patent Document 1).
MRAMでは、情報を記録して保持させる磁性層(記憶層)を、長方形や楕円等の平面形状として、その反磁界を利用した形状異方性によって磁化を安定化することにより、記録された情報を長期間にわたって保持している。これにより、不揮発メモリとして使用することが可能となっている。
また、情報の記録は、直交する2種類のアドレス配線(例えば、ワード線やビット線)のそれぞれに電流を流し、発生する電流磁場によって、アドレス配線の交点にある磁気記憶素子において、情報を記録して保持させる磁性層(記憶層)の磁化の向きを反転させることにより行っている。
In the MRAM, a magnetic layer (storage layer) that records and holds information is formed into a rectangular shape such as a rectangle or an ellipse, and the recorded information is stabilized by stabilizing the magnetization by shape anisotropy using the demagnetizing field. Is held for a long time. As a result, it can be used as a nonvolatile memory.
In addition, information is recorded in a magnetic memory element at the intersection of the address lines by passing a current through each of two orthogonal address lines (for example, word lines and bit lines) and generating a current magnetic field. This is done by reversing the magnetization direction of the magnetic layer (memory layer) to be held.
今後、MRAMにおいても、記憶容量を増加したり、装置を小型化したりするために、高密度化を図る必要があり、これによりメモリセルを構成する磁気記憶素子の寸法のさらなる縮小化が求められる。
磁気記憶素子の寸法が縮小化された場合でも、情報を長期間にわたって保持できるためには、磁気記憶素子の磁気異方性、特に情報を記録して保持させる磁性層(記憶層)の磁気異方性を大きくする必要がある。
In the future, in MRAM, it is necessary to increase the density in order to increase the storage capacity or to reduce the size of the device, and further reduction in the size of the magnetic storage element constituting the memory cell is required. .
In order to be able to retain information for a long period of time even when the size of the magnetic memory element is reduced, the magnetic anisotropy of the magnetic memory element, particularly the magnetic anomaly of the magnetic layer (memory layer) on which information is recorded and retained is determined. It is necessary to increase the direction.
しかし、記憶層の磁気異方性を大きくすると、記憶層の保磁力が増加して、情報の記録に大きな電流が必要となることから、消費電力の増加や電流駆動回路の大型化が不可避となり、高密度メモリを実現する上で問題となる。 However, if the magnetic anisotropy of the storage layer is increased, the coercive force of the storage layer increases, and a large current is required for recording information. Therefore, an increase in power consumption and an increase in the size of the current drive circuit are inevitable. This is a problem in realizing a high-density memory.
そこで、情報の記録に必要な電流(記録電流)を低減する方法として、磁気記憶素子を加熱して、情報を磁化状態として保持する磁性層(記憶層)の保磁力を一時的に下げる方法(例えば、特許文献1参照)が提案されている。
この方法を採用することにより、記録時の記憶層の保磁力が下がり、記録電流を低減することができるため、情報の記録を容易に行うことが可能になる。
Therefore, as a method of reducing the current (recording current) necessary for recording information, a method of temporarily lowering the coercive force of the magnetic layer (storage layer) that holds the information in a magnetized state by heating the magnetic storage element ( For example, see Patent Document 1).
By adopting this method, the coercive force of the storage layer at the time of recording can be reduced and the recording current can be reduced, so that information can be recorded easily.
従来提案されている、加熱機構を設けて磁気記憶素子の記憶層を加熱する構成の磁気メモリの一例を、模式的に図10に示す。図10Aは、磁気メモリを構成する一単位のメモリセルの概略平面図を示し、図10Bは、同じく一単位のメモリセルの概略断面図を示している。
図10Aに示すように、楕円形状の平面パターンを有する磁性層により、記憶層51、即ち情報を磁化状態で保持する磁性層が構成されている。
また、記憶層51に並行して、抵抗素子52が配置され、抵抗素子52の左右両端に電極が接続されている。記憶層51と抵抗素子52とは電気的に絶縁されている。
この磁気メモリでは、電極53を通して抵抗素子52に電流を流すことにより、抵抗素子52を発熱させて、記憶層51の加熱を行うことができる。即ち、抵抗素子52により記憶層に対する加熱機構が構成されている。
As shown in FIG. 10A, a magnetic layer having an elliptical plane pattern constitutes a
In parallel with the
In this magnetic memory, by passing a current through the
上述の図10に示した構成の磁気メモリにおいて、加熱によって記憶層51の保磁力を下げるためには、記憶層51の材料に、キュリー温度が低く、かつ磁気特性の温度変化が大きい磁性体を使う必要がある。
In the magnetic memory having the configuration shown in FIG. 10 described above, in order to reduce the coercive force of the
しかしながら、このように磁気特性の温度変化が大きい磁性体は、環境温度の変化に対しても磁気特性の変化が大きくなるという問題があった。 However, such a magnetic material having a large temperature change in magnetic characteristics has a problem that the change in magnetic characteristics becomes large even with a change in environmental temperature.
上述した問題の解決のために、本発明においては、磁気記憶素子の縮小化により記憶層の保磁力が大きくなっても、少ない電流量で情報の記録を行うことが可能であり、環境温度の変化に対して安定な磁気メモリを提供するものである。 In order to solve the above-described problem, in the present invention, even when the coercive force of the storage layer is increased by reducing the size of the magnetic storage element, information can be recorded with a small amount of current. The present invention provides a magnetic memory that is stable against changes.
本発明の磁気メモリは、磁化状態によって情報を保存する記憶層を有する磁気記憶素子と、磁気記憶素子の記憶層を加熱する加熱機構とを有し、記憶層がキュリー温度又は補償温度が互いに異なる2層の磁性層を含む複数の磁性層から構成され、情報の記録を行う際には、記憶層が加熱機構によりキュリー温度又は補償温度が最も高い磁性層のキュリー温度又は補償温度を超えない温度で加熱されるものである。 The magnetic memory of the present invention includes a magnetic storage element having a storage layer for storing information according to a magnetization state, and a heating mechanism for heating the storage layer of the magnetic storage element, and the storage layers have different Curie temperatures or compensation temperatures. When recording information, the storage layer has a temperature that does not exceed the Curie temperature or compensation temperature of the magnetic layer having the highest Curie temperature or compensation temperature by a heating mechanism. Is heated.
上述の本発明の磁気メモリの構成によれば、記憶層がキュリー温度又は補償温度が互いに異なる2層の磁性層を含む複数の磁性層から構成されていることにより、環境温度の上昇によってキュリー温度又は補償温度の低い磁性層の磁化が減少しても、キュリー温度又は補償温度の高い磁性層は磁化及び保磁力の変化が小さいために、このキュリー温度又は補償温度の高い磁性層によって、記録された情報(磁化状態)が保持される。
従って、環境温度の上昇に対しても安定して記録された情報を保持することができる。
そして、情報の記録を行う際には、加熱によりキュリー温度又は補償温度の低い磁性層の磁化を減少させて、保磁力を小さくして、少ない電流量の記録電流で容易に記録を行うことを可能にする。
また、情報の記録を行う際には、記憶層が加熱機構によりキュリー温度又は補償温度が最も高い磁性層のキュリー温度又は補償温度を超えない温度で加熱されるため、キュリー温度又は補償温度が最も高い磁性層の磁化が失われることがなく、安定した繰り返し動作が可能である。
According to the configuration of the magnetic memory of the present invention described above, the storage layer is composed of a plurality of magnetic layers including two magnetic layers having different Curie temperatures or compensation temperatures. Even if the magnetization of the magnetic layer with a low compensation temperature is decreased, the magnetic layer with a high Curie temperature or the compensation temperature is recorded by the magnetic layer with a high Curie temperature or the compensation temperature because the change in magnetization and coercive force is small. Information (magnetization state) is retained.
Therefore, it is possible to hold the recorded information stably even when the environmental temperature rises.
When recording information, the magnetization of the magnetic layer having a low Curie temperature or compensation temperature is reduced by heating, the coercive force is reduced, and the recording can be easily performed with a small amount of recording current. to enable.
Also, when recording information, the storage layer is heated by the heating mechanism at a temperature that does not exceed the Curie temperature or compensation temperature of the magnetic layer having the highest Curie temperature or compensation temperature, so the Curie temperature or compensation temperature is the highest. The magnetization of the high magnetic layer is not lost, and stable repeated operation is possible.
また、上記本発明の磁気メモリにおいて、加熱機構により記憶層が加熱される際の記憶層の温度分布が、記憶層内で一様でない構成とすることも可能である。
このような構成とすることにより、記憶層が加熱される際に、記憶層内の一部の領域の温度が高くなり、この一部の領域の保磁力が大幅に低減されるため、少ない加熱で効率良く保磁力を低下させることができ、より少ない電流量の記録電流で記録を行うことを可能にする。
In the magnetic memory of the present invention, the temperature distribution of the storage layer when the storage layer is heated by the heating mechanism may be not uniform in the storage layer.
With such a configuration, when the storage layer is heated, the temperature of a part of the region in the storage layer is increased, and the coercive force of the part of the region is greatly reduced. Thus, the coercive force can be reduced efficiently, and recording can be performed with a smaller amount of recording current.
また、上記本発明の磁気メモリにおいて、加熱機構により加熱された後の記憶層の冷却速度が、記憶層内で一様でない構成とすることも可能である。
このような構成とすることにより、記憶層が加熱された後に冷却される際に、記憶層内で温度分布が形成され、冷却速度が低い領域は他の領域よりも温度が高く保磁力が小さくなっているため、より少ない電流量の記録電流で記録を行うことを可能にする。
In the magnetic memory of the present invention, the cooling rate of the storage layer after being heated by the heating mechanism may be not uniform in the storage layer.
With this configuration, when the storage layer is cooled after being heated, a temperature distribution is formed in the storage layer, and the region where the cooling rate is low has a higher temperature and a lower coercive force than the other regions. Therefore, it is possible to perform recording with a smaller recording current.
また、上記本発明の磁気メモリにおいて、記憶層を構成する複数の磁性層うち、少なくとも2層の磁性層の磁化が反平行に配列している構成とすることも可能である。
このような構成とすることにより、反平行である2層の磁性層の磁化が打ち消し合うため、記憶層全体の合成磁化(見かけ上の磁化)が小さくなり、より少ない電流量の記録電流で記録を行うことが可能になると共に、環境温度の変化に対して記憶層全体の合成磁化が大きく変化しないため、記録層に記録された情報を安定して保持することができる。
In the magnetic memory of the present invention, it is possible to adopt a configuration in which the magnetizations of at least two of the magnetic layers constituting the storage layer are arranged in antiparallel.
By adopting such a configuration, the magnetizations of the two anti-parallel magnetic layers cancel each other, so that the total magnetization (apparent magnetization) of the entire storage layer becomes smaller, and recording can be performed with a smaller amount of recording current. Since the combined magnetization of the entire storage layer does not change greatly with changes in environmental temperature, information recorded in the recording layer can be stably held.
上記本発明の磁気メモリにおいて、記憶層を構成する複数の磁性層のうち、少なくとも1層の磁性層がフェリ磁性体から成る構成とすることも可能である。
このような構成とすることにより、フェリ磁性体が室温以上の比較的低い温度に補償温度を有し、補償温度の前後で磁化方向が反転するため、加熱による磁性層の磁化の変化が大きくなる。このため、より少ない電流量の記録電流で記録を行うことを可能にする。
In the magnetic memory of the present invention, at least one magnetic layer of a plurality of magnetic layers constituting the storage layer may be made of a ferrimagnetic material.
By adopting such a configuration, the ferrimagnetic material has a compensation temperature at a relatively low temperature above room temperature, and the magnetization direction is reversed before and after the compensation temperature, so that the change in magnetization of the magnetic layer due to heating increases. . This makes it possible to perform recording with a smaller amount of recording current.
上述の本発明によれば、環境温度の変化に対しても記録を安定に保持できると共に、少ない記録電流で情報の記録を行うことが可能になる。
これにより、磁気記憶素子の縮小化により記憶層の保磁力が大きくなっても、少ない電流量で情報の記録を行うことが可能になることから、記録時の消費電力の低減を図ることや、メモリセルの磁気記憶素子を縮小化して、磁気メモリの記憶容量の増大、高密度化、高集積化、小型化を図ることが可能になる。
According to the above-described present invention, it is possible to stably maintain recording even when the environmental temperature changes, and it is possible to record information with a small recording current.
As a result, even if the coercive force of the storage layer increases due to the reduction in the size of the magnetic storage element, it is possible to record information with a small amount of current, so that power consumption during recording can be reduced, By downsizing the magnetic storage element of the memory cell, it is possible to increase the storage capacity, increase the density, increase the integration, and reduce the size of the magnetic memory.
また、加熱機構により記憶層が加熱される際の記憶層の温度分布が記憶層内で一様でない構成、又は、加熱機構により加熱された後の記憶層の冷却速度が記憶層内で一様でない構成としたときには、より少ない電流量の記録電流で記録を行うことを可能にする。 In addition, the temperature distribution of the memory layer when the memory layer is heated by the heating mechanism is not uniform in the memory layer, or the cooling rate of the memory layer after being heated by the heating mechanism is uniform in the memory layer. When the configuration is not, recording can be performed with a recording current of a smaller amount of current.
本発明の磁気メモリの一実施の形態の概略構成図を図1A及び図1Bに示す。図1Aは、磁気メモリを構成する一単位のメモリセルの概略平面図を示し、図1Bは、同じく一単位メモリセルの概略断面図を示す。 A schematic configuration diagram of an embodiment of a magnetic memory of the present invention is shown in FIGS. 1A and 1B. FIG. 1A is a schematic plan view of a unit memory cell constituting the magnetic memory, and FIG. 1B is a schematic sectional view of the unit memory cell.
下層の第1の磁性層1及び上層の第2の磁性層2の2層の磁性層により、情報を磁化状態で保持する記憶層3が構成されている。そして、この記憶層3により磁気記憶素子が構成される。
上層の第2の磁性層2は、図1Aに示すように、楕円形状の平面パターンに形成されている。これにより図中左右方向に形状異方性を有している。下層の第1の磁性層1も、図示しないが、第2の磁性層2と同じ楕円形状の平面パターンに形成されている。
また、下層の第1の磁性層1は、左右の両端部が、電極4の上に接続されている。これにより、電極4を通じて、第1の磁性層1等、記憶層3内に電流を流すことが可能な構成となっている。
The two magnetic layers, the lower first
As shown in FIG. 1A, the upper second
The lower first
本実施の形態においては、特に、磁気記憶素子の記憶層3を構成する2層の磁性層1,2のキュリー温度又は補償温度を異ならせる。
例えば、下層の第1の磁性層1をキュリー温度又は補償温度が高い磁性層とし、上層の第2の磁性層2をキュリー温度又は補償温度が低い磁性層とした構成とする。
或いは、下層の第1の磁性層1をキュリー温度又は補償温度が低い磁性層とし、上層の第2の磁性層2をキュリー温度又は補償温度が高い磁性層とした構成とする。
In the present embodiment, in particular, the Curie temperature or compensation temperature of the two
For example, the lower first
Alternatively, the lower first
キュリー温度の高い磁性層の材料としては、NiFe、CoFe等が挙げられる。
キュリー温度の低い磁性層の材料としては、NiFeMn、CoFeCr、Ni、GdFe等が挙げられる。
また、補償温度を有する磁性層の材料としては、室温以上に補償温度を有するフェリ磁性体、例えば、GdFeCo、TbCo等が挙げられる。
Examples of the material for the magnetic layer having a high Curie temperature include NiFe and CoFe.
Examples of the material for the magnetic layer having a low Curie temperature include NiFeMn, CoFeCr, Ni, and GdFe.
Examples of the material for the magnetic layer having a compensation temperature include ferrimagnetic materials having a compensation temperature above room temperature, such as GdFeCo and TbCo.
上述のように、2層の磁性層1,2のキュリー温度又は補償温度が異なる構成にすると、電極4を通じて記憶層3内に電流を流して、記憶層3を加熱して温度上昇させることにより、記憶層3を構成する2層の磁性層1,2のうち、キュリー温度又は補償温度の低い磁性層においては、飽和磁化が低下して、保磁力が低下する。これにより、少ない電流量の記録電流で記憶層3に情報の記録を行うことが可能になる。
一方、記憶層3を構成する2層の磁性層1,2のうち、キュリー温度又は補償温度の高い磁性層においては、記憶層3を加熱して温度上昇させても、保磁力の変化が少ない。このため、環境温度が上昇して記憶層3全体の温度が上昇した場合でも、キュリー温度又は補償温度の高い磁性層の磁化の変化は小さく、保磁力の変化も小さいので、記録された情報を安定して保持することが可能になる。
As described above, when the Curie temperature or the compensation temperature of the two
On the other hand, among the two
特に、キュリー温度又は補償温度の低い磁性層として、室温以上に補償温度を有するフェリ磁性体を用いた場合には、補償温度の上下の温度で磁化方向が反転し、より温度差による磁化の変化が生じやすくなる。 In particular, when a ferrimagnetic material having a compensation temperature above room temperature is used as a magnetic layer having a low Curie temperature or a compensation temperature, the magnetization direction is reversed at temperatures above and below the compensation temperature, and the magnetization changes due to a temperature difference. Is likely to occur.
また、本実施の形態では、動作温度(記憶層3への情報の記録や記録層3に記録された情報を読み出す際の温度)を、記憶層3を構成する2層の磁性層1,2のうちのキュリー温度又は補償温度の高い磁性層のキュリー温度又は補償温度を超えない温度とする。
これにより、キュリー温度又は補償温度の高い磁性層の磁化が消失することがなく、安定した繰り返し動作を行うことができる。
In the present embodiment, the operating temperature (the temperature at which information is recorded on the
As a result, the magnetization of the magnetic layer having a high Curie temperature or compensation temperature is not lost, and a stable repeated operation can be performed.
さらに、本実施の形態では、下層の第1の磁性層1の両端部分に電極4が接続されているため、電極4を通じて電流を流したときに、記憶層3の電極4上の部分(両端部分)は電流量が少なく、記憶層3の中央部分の電流量が多くなる。これにより、記憶層3の中央部分の方が、両端部分よりも、発熱量が大きく、温度上昇が大きくなる。
Furthermore, in the present embodiment, since the
このように、記憶層3の中央部分の温度上昇が大きいことから、キュリー温度又は補償温度の高い磁性層の磁化の変化がほとんどなくても、キュリー温度又は補償温度の低い磁性層の中央部分の飽和磁化が極端に低下して、磁化のバランスが崩れて保磁力が低下することになるため、これを利用して、より少ない電流量の記録電流で記憶層3に情報の記録を行うことが可能になる。
一方、環境温度が上昇した場合には、記憶層3全体が一様に温度上昇するため、キュリー温度又は補償温度の低い磁性層の磁化が減少するが、磁化のバランスが崩れることがなく、またキュリー温度又は補償温度の高い磁性層の磁化の変化がほとんどなく、保磁力の変化が小さくなる。このため、記憶層3に記録された情報が安定した保持される。
As described above, since the temperature rise in the central portion of the
On the other hand, when the environmental temperature rises, the temperature of the
また、例えば電極4を熱伝導率の大きい材料(例えば、銅)で構成すると、加熱を停止した後の電極4に接する記憶層3の両端部分の冷却速度が速くなり、記憶層3の中央部分の温度が相対的に高くなる。この場合も、キュリー温度又は補償温度の低い磁性層の中央部分の飽和磁化が極端に低下して、磁化のバランスが崩れることになるため、これを利用して、より少ない電流量の記録電流で記憶層3に情報の記録を行うことが可能になる。
なお、電極4を熱伝導率の大きい材料で構成する代わりに、例えば、記憶層3の両端部分にヒートシンクを取り付けて放熱しやすくしても同様の作用効果が得られる。
Further, for example, when the
In addition, instead of configuring the
さらに、環境温度の変化に対する記憶層の保磁力の変化を小さくして、部分加熱に対する記憶層の保磁力低下を大きくするために、第1の磁性層1の磁化の向きと第2の磁性層2の磁化の向きとが互いに反平行であることが望ましい。
そのためには、例えば、適切な膜厚の非磁性層を、第1の磁性層1及び第2の磁性層2の間に形成して、これら2層の磁性層1及び2間に磁気的な結合や交換相互作用が働くようにすればよい。
また、一方の磁性層を、遷移金属からなる強磁性体で形成し、もう一方の磁性層を、希土類と遷移金属とからなり、室温以上の補償温度を有するフェリ磁性体で形成すると、強磁性体の磁化とフェリ磁性体の磁化とが反平行となる。
Furthermore, in order to reduce the change in the coercive force of the storage layer with respect to changes in the environmental temperature and increase the decrease in the coercive force of the storage layer with respect to partial heating, the magnetization direction of the first
For this purpose, for example, a nonmagnetic layer having an appropriate thickness is formed between the first
If one magnetic layer is made of a ferromagnetic material made of a transition metal and the other magnetic layer is made of a ferrimagnetic material made of a rare earth and a transition metal and having a compensation temperature equal to or higher than room temperature, The magnetization of the body and the magnetization of the ferrimagnetic material are antiparallel.
そして、図1A及び図1Bに示す構成のメモリセルを、多数配置することにより、多数のメモリセルを有する磁気メモリを構成することができる。 A magnetic memory having a large number of memory cells can be configured by arranging a large number of memory cells having the configuration shown in FIGS. 1A and 1B.
上述の本実施の形態の磁気メモリの構成によれば、各メモリセルを構成する磁気記憶素子の記憶層3が、互いにキュリー温度又は補償温度が異なる2層の磁性層(第1の磁性層1及び第2の磁性層2)から成ることにより、情報の記録を行う際には、加熱によりキュリー温度又は補償温度の低い磁性層の磁化を減少させて、保磁力を小さくして、少ない電流量の記録電流で容易に記録を行うことを可能にする。
一方、キュリー温度又は補償温度の高い磁性層は、温度上昇による磁化及び保磁力の変化が小さいために、記録された情報(磁化状態)が保持される。
従って、環境温度の上昇に対しても、安定して記憶層3に記録された情報を保持することができる。
According to the configuration of the magnetic memory of the present embodiment described above, the
On the other hand, a magnetic layer having a high Curie temperature or compensation temperature retains recorded information (magnetization state) because the change in magnetization and coercive force due to temperature rise is small.
Therefore, the information recorded in the
また、本実施の形態によれば、動作温度を、キュリー温度又は補償温度の高い磁性層のキュリー温度又は補償温度を超えない温度としていることにより、キュリー温度又は補償温度が高い磁性層の磁化が失われることがなく、安定した繰り返し動作が可能になる。 Further, according to the present embodiment, the operating temperature is set not to exceed the Curie temperature or the compensation temperature of the magnetic layer having a high Curie temperature or the compensation temperature, so that the magnetization of the magnetic layer having the high Curie temperature or the compensation temperature is increased. Stable and repeatable operation is possible without being lost.
さらに、本実施の形態によれば、記憶層3の下層の第1の磁性層1の両端部分に電極4を直接接続させ、電極4を通じて記憶層3に電流を流すことにより、記憶層3を加熱するように構成している。これにより、記憶層3の中央部分に大きい電流量が流れるため、発熱が大きくなることから、記憶層3の中央部分の温度上昇が大きくなり、記憶層3の両端部分よりも温度が高くなる。即ち記憶層3に一様でない温度分布が形成される。
記憶層を一様に加熱した場合には、あまり大きく保磁力を変化させることはできないが、記憶層に一様でない温度分布を形成することにより、効率的に記憶層3を構成する磁性層の保磁力を変化させることができる。
さらに、電極4を熱伝導率の高い材料により構成した場合には、加熱後の冷却時において、記憶層3の両端部分の冷却速度を速くすることにより、記憶層3の中央部分の温度を相対的に高くすることができ、記憶層3に温度分布を形成して、効率的に記憶層3を構成する磁性層の保磁力を変化させることができる。
Further, according to the present embodiment, the
When the storage layer is uniformly heated, the coercive force cannot be changed so much, but by forming a non-uniform temperature distribution in the storage layer, the magnetic layer constituting the
Further, when the
本実施の形態によれば、このように効率的に磁性層の保磁力を変化させることができるため、より小さい電流量で加熱を行っても、情報の記録を行うことが可能になり、記録電流の低減を図ることが可能になる。
従って、記録に必要な電流量を低減して、記録時の消費電力の低減を図ることが可能になる。
また、磁気記憶素子の縮小化により記憶層の保磁力が大きくなっても、少ない電流量で情報の記録を行うことが可能になることから、メモリセルを構成する磁気記憶素子の縮小化によって、磁気メモリの記憶容量の増大、高密度化、高集積化、小型化を図ることが可能になる。
According to the present embodiment, since the coercive force of the magnetic layer can be changed efficiently in this way, it is possible to record information even if heating is performed with a smaller current amount. It becomes possible to reduce the current.
Therefore, it is possible to reduce the amount of current required for recording and reduce power consumption during recording.
In addition, even if the coercive force of the storage layer increases due to the reduction of the magnetic memory element, it becomes possible to record information with a small amount of current. Therefore, by reducing the magnetic memory element constituting the memory cell, It is possible to increase the storage capacity, increase the density, increase the integration, and reduce the size of the magnetic memory.
上述の本実施の形態では、各メモリセルを構成する磁気記憶素子を記憶層3のみにより形成していたが、磁気記憶素子を、例えば磁化の向きが固定された磁化固定層や反強磁性層等、記憶層以外の他の磁性層や他の非磁性層が設けられた構成とすることも可能である。
In the above-described embodiment, the magnetic memory element that constitutes each memory cell is formed by only the
また、上述の実施の形態では、記憶層3の両端部分に電極4を接続して、電極4を通じて記憶層3に電流を流して発熱させることにより、記憶層3に温度分布を形成していたが、その他の方法により、記憶層に温度分布を形成することも可能である。
例えば、記憶層の外部に設けた加熱機構により記憶層の一部のみを加熱する構成としても、同様に記憶層に温度分布を形成することが可能である。
また、記憶層に熱伝導の異なる複数の材料を接触させた構成としても、放熱速度の違いによって記憶層に温度分布を形成することが可能である。
Further, in the above-described embodiment, the temperature distribution is formed in the
For example, even if only a part of the storage layer is heated by a heating mechanism provided outside the storage layer, it is possible to form a temperature distribution in the storage layer in the same manner.
Further, even when a plurality of materials having different thermal conductances are brought into contact with the storage layer, it is possible to form a temperature distribution in the storage layer due to a difference in heat dissipation rate.
上述の実施の形態では、記憶層3を2層の磁性層1,2により構成していたが、本発明では、3層以上の磁性層により記憶層を構成してもよい。
3層以上の磁性層により記憶層を構成する場合には、記憶層を構成する(3層以上の)磁性層のうち、少なくとも2層の磁性層についてキュリー温度又は補償温度が異なる構成とする。そして、動作温度は、最もキュリー温度又は補償温度が高い磁性層のキュリー温度又は補償温度を超えない温度とする。
さらに、環境温度の変化に対する記憶層の保磁力の変化を小さくして、部分加熱に対する記憶層の保磁力低下を大きくするには、記憶層を構成する(3層以上の)磁性層のうち、少なくとも一対(2層)の磁性層の磁化が反平行に配列していることが望ましい。
特に望ましくは、キュリー温度又は補償温度の低い磁性層とキュリー温度又は補償温度の高い層とが反平行に配列しているのが好ましい。
In the above-described embodiment, the
When the storage layer is constituted by three or more magnetic layers, the Curie temperature or the compensation temperature is different for at least two of the magnetic layers constituting the storage layer (three or more layers). The operating temperature is a temperature that does not exceed the Curie temperature or compensation temperature of the magnetic layer having the highest Curie temperature or compensation temperature.
Furthermore, in order to reduce the change in the coercive force of the storage layer with respect to the change in the environmental temperature and increase the decrease in the coercive force of the storage layer with respect to partial heating, among the magnetic layers (three or more layers) constituting the storage layer, It is desirable that the magnetizations of at least a pair (two layers) of magnetic layers are arranged antiparallel.
It is particularly desirable that the magnetic layer having a low Curie temperature or compensation temperature and the layer having a high Curie temperature or compensation temperature are arranged in antiparallel.
ここで、図1に示した構成の磁気メモリの製造方法を、図2A〜図2Eを参照して、説明する。図2A〜図2Eでは、横に並んだ2つのメモリセルの磁気記憶素子を示している。
まず、図2Aに示すように、基板上に形成された絶縁層5の一部を除去して、配線埋め込み用の溝5Aを形成する。
次に、溝5A内を埋めるように金属を全面的に形成した後に、表面を研摩して平坦化することにより、図2Bに示すように、絶縁層5を露出させる。これにより、溝5A内に、金属から成る電極4が形成される。
次に、図2Cに示すように、電極4に両端部分が電気的に接続されるように、電極4上に記憶層3から成る磁気記憶素子7を形成する。
次に、表面を覆って絶縁層8を形成した後に、図2Dに示すように、磁気記憶素子7上の絶縁層8の一部を除去して穴を形成し、磁気記憶素子7を露出させる。
続いて、絶縁層8の穴を埋めて全面的に電極層を形成し、電極層をパターニングして、図2Eに示すように、磁気記憶素子7に接続した上部電極9を形成する。
なお、電極(下部電極)4は、図示しない配線等に接続することにより、電極4を通じて電流を流すことが可能なように形成する。
このようにして、図1に示した構成のメモリセルを有する磁気メモリを製造することができる。
Here, a method of manufacturing the magnetic memory having the configuration shown in FIG. 1 will be described with reference to FIGS. 2A to 2E. 2A to 2E show magnetic memory elements of two memory cells arranged side by side.
First, as shown in FIG. 2A, a part of the insulating
Next, after the metal is entirely formed so as to fill the
Next, as shown in FIG. 2C, the
Next, after forming the insulating
Subsequently, the hole of the insulating
The electrode (lower electrode) 4 is formed so that a current can flow through the
In this manner, a magnetic memory having the memory cell having the configuration shown in FIG. 1 can be manufactured.
(実施例)
ここで、本発明の磁気メモリの構成において、具体的に磁気記憶素子の記憶層の寸法や磁化量を設定して、特性がどのようになるか検討を行った。
(Example)
Here, in the configuration of the magnetic memory according to the present invention, the dimensions and the magnetization amount of the storage layer of the magnetic storage element were specifically set, and the characteristics were examined.
まず、記憶層を一様に加熱した場合と、記憶層の一部を加熱して一様でない温度分布を形成した場合の特性の違いを検討した。
図3Aに平面図を示す平面形状(陸上競技のトラックや光ディスクの記録ピットに用いられる形状)であり、100nm×200nmの大きさとした磁気記憶素子30を第1のモデルとして採用し、図3Bに断面図を示すように構成した。
この磁気記憶素子30では、膜厚が2nmであり、飽和磁束密度Msが800emu/cm3であり、キュリー温度が高い第1の磁性層31と、膜厚が1nmである非磁性層32と、膜厚が10nmであり、飽和磁束密度Ms´(室温で400emu/cm3)であり、キュリー温度が低い第2の磁性層33とを積層して記憶層34を構成している。
この第1のモデルは、記憶層全体を一様に加熱した場合を想定しており、キュリー温度が低い第2の磁性層33の飽和磁束密度Ms´が、温度上昇に対応して減少するものとする。
First, the difference in characteristics between the case where the memory layer was heated uniformly and the case where a part of the memory layer was heated to form a non-uniform temperature distribution was examined.
FIG. 3A is a plan view showing a plan view (a shape used for track and track pits of an athletics track) and a
In this
This first model assumes a case where the entire storage layer is uniformly heated, and the saturation magnetic flux density Ms ′ of the second
また、図4Aに平面図を示すように、磁気記憶素子の平面形状は図3Aと同じであるが、記憶層の構成が異なる磁気記憶素子40を第2のモデルとして採用し、図4Bに断面図を示すように構成した。
この磁気記憶素子40では、第1の磁性層31及び非磁性層32は、図3Bと同じ構成であるが、第2の磁性層36のうち幅70nmの中央部分36Aは、飽和磁束密度Ms´(室温で400emu/cm3)であり、両端部分36Bは飽和磁束密度Ms(800emu/cm3)である構成としている。第2の磁性層36の膜厚は、図3Aの第2の磁性層33と同じ10nmとした。そして、第1の磁性層31と、非磁性層32と、第2の磁性層36とを積層して記憶層37を構成している。
この第2のモデルは、記憶層の一部(中央部)を加熱して記憶層に一様でない温度分布を形成した場合を想定しており、キュリー温度が低い第2の磁性層36のうち中央部分36Aの飽和磁束密度Ms´は、温度上昇に対応して低下するものとし、第2の磁性層36の両端部分36Bは、高い飽和磁束密度Msを保持するものとする。
Further, as shown in the plan view of FIG. 4A, the planar shape of the magnetic memory element is the same as that of FIG. 3A, but a
In the
This second model assumes a case where a part of the storage layer (center portion) is heated to form a non-uniform temperature distribution in the storage layer. Of the second
なお、いずれのモデルでも、静磁的な結合により、第1の磁性層31の磁化の向きと第2の磁性層33,36の磁化の向きとが互いに反平行になっているものとした。
In any model, it is assumed that the magnetization direction of the first
これら第1のモデル及び第2のモデルについて、キュリー温度が低い第2の磁性層33,36の飽和磁束密度Ms´を変化させて、それぞれの飽和磁束密度Ms´の値における記憶層34,37の保磁力を、マイクロマグネティックにより計算した。
計算結果を図5に示す。図5中、曲線Aが第1のモデルの場合を示し、曲線Bが第2のモデルの場合を示している。
With respect to the first model and the second model, the saturation magnetic flux density Ms ′ of the second
The calculation results are shown in FIG. In FIG. 5, curve A shows the case of the first model, and curve B shows the case of the second model.
図5より、第2の磁性層33全体の飽和磁束密度Ms´が低下する第1のモデルでは、曲線Aに示すように、飽和磁束密度の低下に伴って、保磁力が若干低下するが、ある程度以下には下がらない。
これに対して、第2の磁性層36の中央部分36Aのみの飽和磁束密度Ms´を低下させた第2のモデルでは、曲線Bに示すように、飽和磁束密度の低下に伴って保磁力が単調に低下し、飽和磁束密度が100emu/cm3以下で保磁力はゼロになる。
つまり、同じ温度(図4では飽和磁束密度Ms´が同じ)であっても、局所的に加熱した場合には、全体を加熱した場合に比べて、磁性層の保磁力の低下が大きいことがわかる。
従って、記憶層を局所的に加熱することにより、記憶層を構成する磁性層の保磁力の低下を大きくして、効率的に磁性層の磁化状態を変化させて情報の記録を行うことができることがわかる。
From FIG. 5, in the first model in which the saturation magnetic flux density Ms ′ of the entire second
On the other hand, in the second model in which the saturation magnetic flux density Ms ′ of only the
That is, even when the temperature is the same (the saturation magnetic flux density Ms ′ is the same in FIG. 4), when locally heated, the coercivity of the magnetic layer is greatly reduced compared to when the whole is heated. Understand.
Therefore, by locally heating the storage layer, the decrease in the coercivity of the magnetic layer constituting the storage layer can be increased, and information can be recorded efficiently by changing the magnetization state of the magnetic layer. I understand.
続いて、図6Aに平面図を示すように、図3Aの磁気記憶素子30や図4Aの磁気記憶素子40と同様の平面形状を有し、1.2μm×0.5μmの大きさとした磁気記憶素子10を第3のモデルとして採用し、図6Bに断面図を示すように構成した。
磁気記憶素子10は、図中左右両端部分が電極23上に形成され、両側の電極23の間隔は0.5μmとなっている。
また、磁気記憶素子10の積層構造を、図6Bに示すように、下層から、膜厚10nmのTa膜から成る下地層11、膜厚10nmのNiFeCu膜から成り低いキュリー温度(約200℃)である第1の磁性層12、膜厚2nmのRu膜から成る非磁性層13、膜厚3nmのCoFe膜から成り高いキュリー温度である第2の磁性層14、膜厚1nmのAl膜を成膜した後にプラズマ酸化処理して形成した酸化アルミニウム膜から成るトンネル絶縁層15、膜厚2nmのCoFe膜から成る第3の磁性層16、膜厚0.8nmのRu膜から成る非磁性層17、膜厚2nmのCoFe膜から成る第4の磁性層18、膜厚30nmのPtMn膜から成る反強磁性層19、並びに、膜厚30nmのTa膜から成る上部電極20という構成とした。
第1の磁性層12、非磁性層13、第2の磁性層14により、記憶層21が構成される。また、第3の磁性層16及び第4の磁性層18は、反強磁性層19により磁化の向きが固定される。そして、第3の磁性層16、非磁性層17、第4の磁性層18により、記憶層21の磁化の向きの基準となる、磁化固定層(参照層)が構成される。
図6中、24は、2つの電極23を絶縁する絶縁層である。
Subsequently, as shown in a plan view in FIG. 6A, the magnetic memory has the same planar shape as the
In the
Further, as shown in FIG. 6B, the laminated structure of the
The first
In FIG. 6,
即ち、この第3のモデルの磁気記憶素子10は、キュリー温度が異なる第1の磁性層12および第2の磁性層14により記憶層21が構成され、磁気記憶素子10の両端部分に接続された電極23を通じて磁気記憶素子10の記憶層21に電流を流すことができる構成となっており、本発明の磁気メモリの磁気記憶素子の構成を満足している。
That is, in the
この第3のモデルの磁気記憶素子10に対して、左右の電極23間にパルス電流を流したときの(低いキュリー温度である)第1の磁性層12の各部分における温度の変化を計算して求めた。計算結果を図7に示す。図7では、横軸に磁気記憶素子10中の位置(中央〜両端部)をとり、縦軸に温度をとっている。パルス電流のパルス幅は1nsecとしている。そして、パルス電流の開始時刻から経過した時間t(nsec)を変化させ、t=0のときを曲線Aで、t=0.5のときを曲線Bで、t=1.0のとき(パルス電流の終了時)を曲線Cで、t=1.5のときを曲線Dで、t=2.0のときを曲線Eで、t=3.0のときを曲線Fで示している。
なお、磁気記憶素子10の周囲の材料は全てSiO2として、計算している。
For this third model
Note that the calculation is made assuming that all the materials around the
図7からわかるように、磁気記憶素子10に電流を流すと、素子の中央部の温度が特に大きく上昇し、温度分布が大きくなる。そして、電流を停止した後(曲線D)には、中央部の温度低下に伴って素子端部の温度が上昇する。
また、3nm後には、初期状態よりは温度が少し上昇しているが、温度分布はほぼ平坦になる。
As can be seen from FIG. 7, when a current is passed through the
Further, after 3 nm, the temperature is slightly higher than the initial state, but the temperature distribution is almost flat.
続いて、本発明の構成として、図1に示した実施の形態と同様の構成(2層の磁性層から成る記憶層の一部を加熱する構成)の場合と、比較例として、記憶層が低いキュリー温度の磁性層単層から成り記憶層に対して図10と同様にして均一な加熱を行う場合とにおいて、温度変化による記憶層の保磁力の変化を、計算により求めた。
具体的には、記憶層を構成する各層の材料の比熱等から、記憶層を(電流により)加熱したときの記憶層の温度上昇を計算し、各部分の温度と構成材料の磁化の温度変化からその部分の磁化を推定し、記憶層全体の磁化分布を求め、その磁化分布からマイクロマグネティクスにより記憶層の保磁力を計算した。そして、電流を流して加熱を行い、保磁力Hcが初期の保磁力の値Hc0に対して1/10になったときに電流を停止すると仮定した。電流量はいずれの場合も5mAとした。
計算結果を図8に示す。図8は、経過時間tに対する保磁力の変化を示しており、本発明の構成の場合を曲線Iに示し、比較例の場合を曲線IIに示している。
Subsequently, as a configuration of the present invention, a configuration similar to that of the embodiment shown in FIG. 1 (a configuration in which a part of a storage layer composed of two magnetic layers is heated) and a comparative example in which a storage layer is provided The change in the coercive force of the memory layer due to the temperature change was obtained by calculation when the memory layer was composed of a single magnetic layer having a low Curie temperature and was uniformly heated in the same manner as in FIG.
Specifically, the temperature rise of the memory layer when the memory layer is heated (by current) is calculated from the specific heat of the material of each layer constituting the memory layer, and the temperature change of the temperature of each part and the magnetization of the component material From this, the magnetization of the memory layer was estimated, the magnetization distribution of the entire memory layer was obtained, and the coercive force of the memory layer was calculated from the magnetization distribution by micromagnetics. Then, it was assumed that heating was performed by passing an electric current, and the current was stopped when the coercive force Hc became 1/10 of the initial coercive force value Hc0. The amount of current was 5 mA in all cases.
The calculation results are shown in FIG. FIG. 8 shows a change in coercive force with respect to the elapsed time t, and the case of the configuration of the present invention is shown by a curve I, and the case of a comparative example is shown by a curve II.
図8より、曲線I及び曲線IIを比較すると、本発明の記憶層の一部を加熱する構成の場合は経過時間tに対して保磁力の変化が大きく、特に、電流を停止した後の保磁力の回復が早いことがわかる。
従って、本発明の記憶層の一部を加熱する構成とすることにより、高速な記録動作が期待できる。
FIG. 8 shows that curve I and curve II are compared. In the case of the configuration in which a part of the memory layer of the present invention is heated, the change in coercive force is large with respect to the elapsed time t. It can be seen that the magnetic recovery is fast.
Therefore, a high-speed recording operation can be expected by heating a part of the memory layer of the present invention.
次に、本発明の構成として、図1に示した実施の形態と同様の構成(2層の磁性層から成る記憶層の一部を加熱する構成)において、記憶層の両端部分に接続された電極間に、パルス電流を流した時の電流値を変えて、それぞれの電流値における保磁力を計算により求めた。いずれもパルス電流のパルス幅は3nsecとしている。
計算結果を図9に示す。
Next, as a configuration of the present invention, in the same configuration as that of the embodiment shown in FIG. 1 (a configuration in which a part of the storage layer composed of two magnetic layers is heated), it is connected to both end portions of the storage layer. The coercive force at each current value was calculated by changing the current value when a pulse current was passed between the electrodes. In both cases, the pulse width of the pulse current is 3 nsec.
The calculation results are shown in FIG.
図9より、パルス電流が2mA以上で保磁力の減少が著しくなり、動作電流の低減に有効であることを確認することができる。 From FIG. 9, it can be confirmed that when the pulse current is 2 mA or more, the coercive force is remarkably reduced, which is effective in reducing the operating current.
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.
1,12,31 第1の磁性層、2,14,33,36 第2の磁性層、3,21,34,37 記憶層、4,23 電極、10,30,40 磁気記憶素子、13,17,32 非磁性層、15 トンネル絶縁層、19 反強磁性層、22 磁化固定層(参照層)
1, 12, 31 First magnetic layer, 2, 14, 33, 36 Second magnetic layer, 3, 21, 34, 37 Storage layer, 4, 23
Claims (5)
前記磁気記憶素子の前記記憶層を加熱する加熱機構とを有し、
前記記憶層が、キュリー温度又は補償温度が互いに異なる2層の磁性層を含む複数の磁性層から構成され、
情報の記録を行う際には、前記記憶層が、前記加熱機構により、キュリー温度又は補償温度が最も高い磁性層のキュリー温度又は補償温度を超えない温度で加熱される
ことを特徴とする磁気メモリ。 A magnetic storage element having a storage layer for storing information according to a magnetization state;
A heating mechanism for heating the storage layer of the magnetic storage element,
The storage layer is composed of a plurality of magnetic layers including two magnetic layers having different Curie temperatures or compensation temperatures,
When recording information, the memory layer is heated by the heating mechanism at a temperature not exceeding the Curie temperature or compensation temperature of the magnetic layer having the highest Curie temperature or compensation temperature. .
2. The magnetic memory according to claim 1, wherein at least one of the plurality of magnetic layers constituting the storage layer is made of a ferrimagnetic material.
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