JP2005203535A - Magnetic memory - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁気メモリに関する。 The present invention relates to a magnetic memory.
近年、固体磁気記憶メモリとして、巨大磁気抵抗効果を示す磁気素子を用いた磁気ランダムアクセスメモリが提案されており、特に、磁気素子として強磁性トンネル接合を用いた磁気メモリに注目が集まっている。 In recent years, a magnetic random access memory using a magnetic element exhibiting a giant magnetoresistive effect has been proposed as a solid-state magnetic storage memory. In particular, a magnetic memory using a ferromagnetic tunnel junction as a magnetic element has attracted attention.
強磁性トンネル接合は、主に、第1強磁性層/絶縁層/第2強磁性層の3層膜で構成され、絶縁層をトンネルして電流が流れる。この場合、接合抵抗値は第1および第2強磁性層の磁化の相対角の余弦に比例して変化する。したがって、抵抗値は、第1および第2強磁性層の磁化が平行のときに極小値、反平行のときに極大値をとる。これは、トンネル磁気抵抗(TMR)効果と呼ばれている。例えば、TMR効果による抵抗値変化は室温において49.7%にもなることが報告されている。 The ferromagnetic tunnel junction is mainly composed of a three-layer film of a first ferromagnetic layer / insulating layer / second ferromagnetic layer, and a current flows through the insulating layer. In this case, the junction resistance value changes in proportion to the cosine of the relative angle of magnetization of the first and second ferromagnetic layers. Therefore, the resistance value takes a minimum value when the magnetizations of the first and second ferromagnetic layers are parallel, and takes a maximum value when the magnetization is antiparallel. This is called the tunnel magnetoresistance (TMR) effect. For example, it has been reported that the change in resistance value due to the TMR effect is 49.7% at room temperature.
強磁性トンネル接合をメモリセルとして含む磁気メモリ素子においては、二つの強磁性層のうち一方の強磁性層の磁化を固定して基準層とし、他方の強磁性層を記憶層とする。このセルにおいて、基準層と記憶層の磁化の配置が平行または反平行に対し2進情報 “0”、“1” を対応づけることで情報が記憶される。記録情報の書き込みは、このセルに対し別に設けた書き込み配線に電流を流して発生する磁場により記憶層の磁化を反転させる。また、読み出しは、強磁性トンネル接合に電流を流し、TMR効果による抵抗変化を検出することで行われる。磁気メモリは、このようなメモリセルを多数配置することで大容量のメモリとして構成される。 In a magnetic memory element including a ferromagnetic tunnel junction as a memory cell, the magnetization of one of the two ferromagnetic layers is fixed as a reference layer, and the other ferromagnetic layer is used as a memory layer. In this cell, information is stored by associating binary information “0” and “1” with the magnetization arrangement of the reference layer and the storage layer parallel or antiparallel. In writing recorded information, the magnetization of the storage layer is reversed by a magnetic field generated by passing a current through a write wiring provided separately for the cell. Reading is performed by passing a current through the ferromagnetic tunnel junction and detecting a resistance change due to the TMR effect. A magnetic memory is configured as a large-capacity memory by arranging a large number of such memory cells.
実際の構成については、任意の一つのセルを選択できるように、例えばDRAMと同様に各セルに対しスイッチングトランジスタを配置し、周辺回路を組み込んで構成される。また、ワード線とビット線が交差する位置にダイオードと合わせて強磁性トンネル接合を組み込む方式も提案されている。 The actual configuration is such that, for example, a switching transistor is arranged for each cell and a peripheral circuit is incorporated so that an arbitrary one cell can be selected. There has also been proposed a method in which a ferromagnetic tunnel junction is incorporated in combination with a diode at a position where a word line and a bit line intersect.
さて、強磁性トンネル接合をメモリセルとして用いる磁気メモリを考える場合、高集積化すると、メモリセルの大きさは小さくなり、セルを構成する強磁性体の大きさも必然的に小さくなる。このような有限の大きさの磁性薄膜においては、一般に、磁気的状態として複数の磁区からなる複雑な磁区構造をとる。特に、長方形のセルの場合、その長軸方向の端部の領域に中央部とは異なる方向に向いた磁化をもつ、いわゆるエッジドメインがあることが知られている。このようなエッジドメインの領域があると、セル全体の磁化が低下し、その結果、TMR効果の抵抗変化率が低下することになる。また、磁化反転における磁気的構造パターンの変化が複雑になるため、ノイズの発生原因となるばかりでなく、保磁力が大きくなり、スイッチング磁場が増大する。 Now, when considering a magnetic memory using a ferromagnetic tunnel junction as a memory cell, the higher the integration, the smaller the size of the memory cell, and inevitably the size of the ferromagnetic material constituting the cell. Such a magnetic thin film having a finite size generally has a complicated magnetic domain structure composed of a plurality of magnetic domains as a magnetic state. In particular, in the case of a rectangular cell, it is known that there is a so-called edge domain having magnetization oriented in a direction different from the central portion in the region of the end portion in the long axis direction. When there is such an edge domain region, the magnetization of the entire cell is lowered, and as a result, the resistance change rate of the TMR effect is lowered. Moreover, since the change of the magnetic structure pattern in the magnetization reversal is complicated, it not only causes noise, but also increases the coercive force and increases the switching magnetic field.
また、強磁性トンネル接合をメモリセルとして用いる磁気メモリの高集積化を考えると、メモリセルの大きさは小さくなり、セルを構成する強磁性体の大きさも必然的に小さくなる。一般に、強磁性体が小さくなると、その保磁力は大きくなる。保磁力の大きさは磁化を反転するために必要なスイッチング磁場の大きさの目安となるので、これはスイッチング磁場の増大を意味する。よって、ビット情報を書き込む際には、より大きな電流を書き込み配線に流さなければならなくなり、消費電力の増加,配線寿命の短命化など、好ましくない結果をもたらす。従って、磁気メモリのメモリセルに用いられる強磁性体の保磁力を低減することは高集積化磁気メモリの実用化において重要な課題である。 Further, considering the high integration of a magnetic memory using a ferromagnetic tunnel junction as a memory cell, the size of the memory cell is reduced, and the size of the ferromagnetic material constituting the cell is inevitably reduced. In general, the smaller the ferromagnetic material, the greater the coercive force. Since the magnitude of the coercive force is a measure of the magnitude of the switching magnetic field necessary for reversing the magnetization, this means an increase in the switching magnetic field. Therefore, when writing bit information, a larger current must be passed through the write wiring, which brings about undesirable results such as an increase in power consumption and a shortened wiring life. Therefore, reducing the coercivity of the ferromagnetic material used in the memory cell of the magnetic memory is an important issue in the practical application of highly integrated magnetic memory.
この課題を解決するために、書き込み電流によって誘導される磁場を効率よく記憶層に印加する方法として、磁性体被覆配線が考えられている。これは、書き込み配線において記憶層に対向している面以外の面の周りに、軟磁気特性にすぐれた磁性体が近接して置かれた構造を持つ、配線の周りに近接しておかれた磁性体として、透磁率が大きいものを用いるために、磁束を集めることができる。一方、メモリセルの記憶層に対向した面では前記磁性体は置かれておらず、ギャップ構造を形成しているため、上記磁性体内に集中した磁束が磁性体先端部より記憶層に向かって放出されるような分布を示す。従って、磁性体被覆のない配線に比べて、磁性体被覆配線からの磁場は、記憶層に効率的に印加することができる。 In order to solve this problem, a magnetic material-covered wiring is considered as a method for efficiently applying a magnetic field induced by a write current to a storage layer. This is because the write wiring has a structure in which a magnetic material having excellent soft magnetic properties is placed in the vicinity of a surface other than the surface facing the storage layer, and is placed close to the wiring. Since a magnetic material having a high magnetic permeability is used, magnetic flux can be collected. On the other hand, since the magnetic material is not placed on the surface of the memory cell facing the storage layer and a gap structure is formed, the magnetic flux concentrated in the magnetic material is emitted from the tip of the magnetic material toward the storage layer. Distribution as shown. Accordingly, the magnetic field from the magnetic material-coated wiring can be efficiently applied to the storage layer as compared with the wiring without the magnetic material coating.
書き込み配線の周囲に高透磁率材料からなる薄膜を備えた磁気メモリ素子が提案されている(例えば、特許文献1参照)。これらの素子においては、書き込み配線の周囲にある高透磁率薄膜により書き込み電流により発生する磁束を収束することができるため、書き込み時において発生する磁場を強くすることができ、その結果、より小さな電流でビット情報を書き込むことができるようになる。 A magnetic memory element having a thin film made of a high magnetic permeability material around a write wiring has been proposed (see, for example, Patent Document 1). In these elements, since the magnetic flux generated by the write current can be converged by the high permeability thin film around the write wiring, the magnetic field generated at the time of writing can be strengthened, resulting in a smaller current. With this, bit information can be written.
また、配線を被覆している磁性体は、前述のように磁束を集中するため、被覆磁性体に関して配線の反対側の領域に漏れ出す磁束を小さくする、いわゆる、磁気シールド効果も併せ持つ。これにより、隣接セルへの磁場の漏れは最小限に抑えることが可能となり、隣接セルへの誤書き込みの発生が抑えられるという効果もある。
上記のように、書き込み配線の周りに軟磁気特性に優れた磁性体を近接しておくことで、メモリセルの記憶層に磁場が効率的に印加され、かつ書き込み電流を低減することができ、消費電力の少ないメモリデバイスを提供することが可能となる。 As described above, by placing a magnetic material having excellent soft magnetic properties around the write wiring, a magnetic field is efficiently applied to the storage layer of the memory cell, and the write current can be reduced. A memory device with low power consumption can be provided.
しかし、メモリセルの記憶層の反転磁場は、記憶層の幅がサブミクロン領域になると数十エルステッドあるため、書き込み配線には例えば10mA以上の電流を流す必要がある。前述のように磁性体被覆を行って磁場生成効率を上げることは可能であるが、書き込み配線に流す必要な電流は4mAから6mA程度と予想され、DRAMなどで通常利用されている電流値(数百μA程度)に比べると、依然として書き込み電流は大きいといわざるを得ない。 However, since the reversal magnetic field of the memory layer of the memory cell is several tens of Oersted when the width of the memory layer is in the submicron region, a current of, for example, 10 mA or more needs to flow through the write wiring. As described above, it is possible to increase the magnetic field generation efficiency by coating the magnetic material, but the current required to flow through the write wiring is expected to be about 4 mA to 6 mA, and the current value (usually used in DRAM and the like) Compared to a hundred μA), the write current is still large.
さらに、メモリデバイスが年を追うごとに高集積化され、微細化されていくことを考えると、MRAMも例外なく微細化されていくことになる。この場合、メモリセルもその幅はサブミクロンからさらに小さな領域へと進むことになることが予想される。この場合、記憶層の幅が小さくなるにつれて、反磁場が増大することにより記憶層のスイッチング磁場が増大することが知られている。 Further, considering that the memory device is highly integrated and miniaturized as the year progresses, the MRAM is also miniaturized without exception. In this case, the width of the memory cell is expected to advance from a submicron to a smaller region. In this case, it is known that the switching magnetic field of the storage layer increases as the demagnetizing field increases as the width of the storage layer decreases.
また、メモリセルの微細化によって、記憶層に用いている磁性層が、熱揺らぎにより磁化反転してしまうという問題がある。これは、一軸異方性エネルギーを最小化するように磁化が安定方向をとるので、通常は、温度による熱エネルギーがランダムに加算されているため、磁化は、上記安定方向を中心としてある振幅で振動している。熱エネルギーが一軸異方性エネルギーより大きくなると、この振動の振幅が大きくなり、ついには反対方向にむいてしまう。反対方向へ向いてしまう確率は一軸異方性エネルギーが小さいと大きくなる。一般に、一軸異方性エネルギーは一軸異方性係数と磁性体の体積の積に比例するため、メモリセルの微細化により一軸異方性エネルギーは減少する。これを避けるためには、磁性体の体積を増やすか、一軸異方性係数を大きくしなければならない。この場合は、必然的にスイッチング磁場も大きくなってしまう。このことは、スイッチング磁場を熱擾乱に耐えるだけの大きさにできないくらいに微細化することはできないということを意味し、メモリデバイスとしてスケーリングが成り立たないという致命的な欠陥を持つことになる。 Further, there is a problem that the magnetic layer used for the storage layer is reversed in magnetization due to thermal fluctuation due to the miniaturization of the memory cell. This is because the magnetization takes a stable direction so as to minimize the uniaxial anisotropy energy. Usually, thermal energy due to temperature is added randomly, so the magnetization has an amplitude centered on the stable direction. It is vibrating. When the thermal energy becomes larger than the uniaxial anisotropy energy, the amplitude of this vibration increases and eventually peels in the opposite direction. The probability of going in the opposite direction increases when the uniaxial anisotropy energy is small. In general, since the uniaxial anisotropy energy is proportional to the product of the uniaxial anisotropy coefficient and the volume of the magnetic material, the uniaxial anisotropy energy decreases as the memory cell is miniaturized. In order to avoid this, the volume of the magnetic material must be increased or the uniaxial anisotropy coefficient must be increased. In this case, the switching magnetic field inevitably increases. This means that the switching magnetic field cannot be miniaturized to a size that can withstand thermal disturbance, and has a fatal defect that scaling does not work as a memory device.
従って、メモリの微細化を考慮した場合、情報の書き込みに必要な電流はますます増大していくことになる。書き込み電流がこのように増大してしまう場合には、メモリデバイスとしての利用価値が半減してしまう。 Therefore, when the miniaturization of the memory is taken into consideration, the current required for writing information increases more and more. When the write current increases in this way, the utility value as a memory device is halved.
上記のように、書き込み電流を小さくすること、特に微小なメモリセルに対して書き込み電流を小さくすることは、デバイス応用の観点からみても大変重要な課題である。書き込み電流を小さくするためには、上記のように、書き込み配線を軟磁性体で被覆することが提案されており、一定の効果が認められている。しかし、特に微小メモリセルにおいてはその効果は十分ではない。 As described above, reducing the write current, particularly reducing the write current for a minute memory cell, is a very important issue from the viewpoint of device application. In order to reduce the write current, it has been proposed to coat the write wiring with a soft magnetic material as described above, and a certain effect has been recognized. However, the effect is not sufficient particularly in a minute memory cell.
本発明の目的は、書き込み電流を小さくすることができるとともに熱擾乱耐性を確保することのできる磁気ランダムアクセスメモリを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a magnetic random access memory capable of reducing a write current and ensuring thermal disturbance resistance.
本発明の一態様による磁気メモリは、磁化の向きが固着された磁性層からなる磁化固着層と、磁化の向きが可変の磁性層からなる記録層と、前記磁化固着層と前記記録層との間に設けられた非磁性層とを有する磁気抵抗効果素子と、電流による誘導磁場を発生し、前記誘導磁場により前記記録層の磁化の向きを反転可能な書き込み配線と、前記書き込み配線を被覆し、前記磁気抵抗効果素子に対向する側に前記磁気抵抗効果素子の幅と実質的に同じ幅を有するギャップが設けられたヨークと、前記磁気抵抗効果素子の一端に電気的に接続される読み出し配線と、を備え、前記ギャップの幅が前記書き込み配線の幅の0.2倍以下であることを特徴とする。 A magnetic memory according to an aspect of the present invention includes a magnetic pinned layer made of a magnetic layer having a fixed magnetization direction, a recording layer made of a magnetic layer having a variable magnetization direction, the magnetic pinned layer, and the recording layer. A magnetoresistive effect element having a non-magnetic layer provided therebetween, a write wiring capable of generating an induced magnetic field by current and reversing the magnetization direction of the recording layer by the induced magnetic field, and covering the write wiring A yoke provided with a gap having substantially the same width as the magnetoresistive effect element on the side facing the magnetoresistive effect element, and a read wiring electrically connected to one end of the magnetoresistive effect element And the width of the gap is 0.2 times or less the width of the write wiring.
なお、一端が前記書き込み配線に電気的に接続される書き込み用選択トランジスタを備えていてもよい。 Note that a selection transistor for writing, one end of which is electrically connected to the writing wiring, may be provided.
なお、前記磁気抵抗効果素子の他端は前記書き込み配線に接続されていてもよい。 The other end of the magnetoresistive effect element may be connected to the write wiring.
なお、前記磁気抵抗効果素子の他端に接続された引き出し配線と、この引き出し配線に一端が電気的に接続された読み出し用選択トランジスタとを備えていてもよい。 Note that a lead-out line connected to the other end of the magnetoresistive element and a read selection transistor whose one end is electrically connected to the lead-out line may be provided.
なお、前記記憶層は異方性定数が1×103より大きく1×106以下の結晶磁気異方性材料で構成されていてもよい。 The memory layer may be made of a magnetocrystalline anisotropic material having an anisotropy constant greater than 1 × 10 3 and less than or equal to 1 × 10 6 .
なお、前記非磁性層はトンネルバリア層であってもよい。 The nonmagnetic layer may be a tunnel barrier layer.
本発明によれば、書き込み電流を小さくすることができるとともに熱擾乱耐性を確保することができる。 According to the present invention, it is possible to reduce the write current and ensure thermal disturbance resistance.
以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態による磁気メモリを、図1を参照して説明する。図1は、第1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、磁気ランダムアクセスメモリであって、複数のメモリセルを備えている。各メモリセルは、書き込み配線2と、この書き込み配線を被覆する磁性体からなるヨーク4と、磁気抵抗効果素子6と、読み出し配線8と、メモリセルを選択するための選択トランジスタ20とを備えている。
(First embodiment)
A magnetic memory according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of the memory cell of the magnetic memory according to the first embodiment. The magnetic memory according to this embodiment is a magnetic random access memory and includes a plurality of memory cells. Each memory cell includes a
選択トランジスタ20および駆動回路等が形成された基板(図示せず)上に絶縁膜100が形成され、この絶縁膜100上に書き込み配線2が形成されている。ヨーク4は、軟磁気特性の優れた磁性体から構成され、書き込み配線2の絶縁膜100側の面および書き込み配線2の側面を被覆するヨーク4aと、書き込み配線2の絶縁膜100と反対側の面を被覆するヨーク4bとを備えている。ヨーク4bは、磁気抵抗効果素子6が書き込み配線2に直接に接続するためのギャップ5が設けられている。なお、ギャップ5の幅WGは、磁気抵抗効果素子6の幅と実質的に同じ幅を有する。ここで、実質的に同じ幅を有するとは、磁気抵抗効果素子6がヨーク4bと接触しない程度の幅であり、本実施形態においては、ギャップ5の幅WGは磁気抵抗効果素子6の幅WMTJよりも10nm程度大きく形成される。
An insulating
磁気抵抗効果素子6は、2つの強磁性層6a、6cと、これらの強磁性層6a、6cに挟まれたトンネルバリア層6bと、電極層6dとを備えている。2つの強磁性層6a、6cのうちの一方、例えば強磁性層6aは磁化が固着された磁化固着層であり、他方、例えば強磁性層6cは磁化が反転可能な記憶層となる磁化自由層である。電極6dは、磁化自由層6cと読み出し配線8とを電気的に接続する。なお、磁化固着層6aのトンネルバリア層6bとは反対側の面に、磁化固着層6cの磁化を固着するための反強磁性層(図示せず)が通常設けられる。なお、記憶層となる磁化自由層6cは、書き込み配線2を流れる電流によって誘導される磁場方向に磁化容易軸を有している。本実施形態においては、磁化固着層6aは、書き込み配線2に電気的に接続されている。なお、本実施形態においては、磁気抵抗効果素子6は、書き込み配線2上に磁化固着層6a、トンネルバリア層6b、磁化自由層6cの順に積層されているが、磁化自由層6c、トンネルバリア層6b、磁化固着層6aの順に積層してもよい。
The
上記ヨーク4に用いられる軟磁気特性に優れた磁性体としては、Fe−Ni、Fe−Si、Fe−Al、センダストと呼ばれるFe−Si−Al合金、Fe−Ni合金にMo、Cu、Crなどを添加したパーマロイ系の合金、Ni−Fe−Co合金、ソフトフェライトと呼ばれるFe2O3を主成分とするフェリ磁性酸化物、YIGなどのガーネット型フェライト,BaFeOなどの六方晶系フェライトなどがあげられる。
Examples of the magnetic material excellent in soft magnetic characteristics used for the
また、ビット情報を読み出すための読み出し配線8の配線材料としては、Al、Al−Cu合金、Cuなど、通常用いられる材料でよい。なお、ここでは読み出し配線としているが、書き込みの際に、読み出し配線にも電流を流すことで、二つの方向から磁場を印加して書き込みを行うことも可能である。この場合には、記憶層の磁化反転はアステロイドと呼ばれる曲線で表されることが知られている。 Moreover, as a wiring material of the read wiring 8 for reading bit information, a commonly used material such as Al, Al—Cu alloy, Cu, or the like may be used. Note that although the reading wiring is used here, writing can also be performed by applying a magnetic field from two directions by supplying a current to the reading wiring during writing. In this case, it is known that the magnetization reversal of the memory layer is represented by a curve called asteroid.
本実施形態においては、書き込み配線2には、書き込むビットを選択するための選択トランジスタ20が備えられている。
In the present embodiment, the
次に、磁気抵抗効果素子6の幅WMTJ、すなわち磁気抵抗効果素子6の幅WMTJに実質的に等しいギャップ5の幅WGを変えた、上述した構成の磁気メモリを、各種製作し、実験を行った。これを、以下に説明する。
Next, the width W MTJ of the
書き込み配線2は、幅500nm、厚さ400nmであり、読み出し配線8は幅600nm、厚さ500nmである。磁気抵抗効果素子6は、Co−Feからなる磁化固着層6aと、アルミナからなるトンネルバリア層6bと、膜厚2nmのCo−Fe−Ni からなる記憶層6cを有している。Co−Fe からなる磁化固着層6aには、トンネルバリア層6bと反対側にIr−Mnからなる反強磁性層6eが近接して設けられている。磁化固着層6aと反強磁性層6eの間には交換相互作用が働いており、この交換相互作用によってCo−Feからなる磁化固着層6aの磁化が固着される。記憶層6cは、トンネルバリア層6bと反対側の面に設けられた電極6dを介して読み出し配線8に電気的に接続される。ギャップ5の幅WGは、書き込み配線2の幅WWLに対し、0.8〜0.05倍までの6種類を用意した。
The
書き込み配線2は、Ni−Fe合金からなる磁性体からなるヨーク4で被覆されている。特に、書き込み配線2の磁気抵抗効果素子6に対向していない面および側部側では、厚さ50nmのヨーク4aで完全に覆われている。磁気抵抗効果素子6に対向している面側のヨーク4bにおいては、磁気抵抗効果素子6の幅WMTJに対して10nm大きい幅WGを有するギャップ5が設けられている。
The
この系について、書き込みテストを行ったところ、図2に示すような結果が得られた。すなわち、図2は、一定幅の書き込み配線2に対し、一定電流IWを流したときに誘導される磁場Hをプロットしたものであり、横軸はギャップ5の幅WGを書き込み配線2の幅WWLで割った値で、縦軸は誘導磁場Hを書き込み電流IWで割った値である。誘導磁場Hは、ギャップ5の幅WGが0.8倍から狭くなるにつれて徐々に大きくなり、特に、0.2倍以下になる急激に大きくなることがわかる。
When a write test was performed on this system, results as shown in FIG. 2 were obtained. That is, FIG. 2, with respect to the
なお、上記では、磁気抵抗効果素子6の記憶層の磁化容易軸は、書き込み配線2に流れる電流が誘導する磁場の方向と一致する方向であることを述べた。この磁気異方性を実現するには、例えば、磁気抵抗効果素子6の平面形状(膜面形状)を、書き込み配線2に流れる電流による誘導磁場の方向に延びているアスペクトをもつようにすればよい。この場合は、記憶層の形状磁気異方性により磁化容易軸が設定される。
In the above description, it has been described that the easy axis of magnetization of the storage layer of the
しかし、磁気抵抗効果素子が微細化されると、反磁場の影響が大きくなり、スイッチング磁場が大きくなることが知られている。この様子を図3に示す。図3は、横軸にギャップ5の幅WGの逆数を取り、縦軸にスイッチング磁場、すなわち記憶層の磁化の向きを反転することのできる最小な磁場を取ってある。なお、図3においてはギャップ5の幅WGは、磁気抵抗効果素子6の幅WMTJに対して10nm大きい値である。図3のグラフg1は、記憶層のスイッチング磁場の特性を示している。また、グラフg2は、ギャップ5の幅WGと書き込み配線2の幅との比が1である場合、すなわち図1に示すヨーク4aは存在するがヨーク4bが存在しない場合に、電流密度が106A/cm2の電流を流したときに誘導される誘導磁場の特性を示す。グラフg3は、ギャップ5の幅WGと書き込み配線2の幅との比が0.2である場合に、電流密度が106A/cm2の電流を流したときに誘導される誘導磁場の特性を示す。ギャップ5の幅WGと書き込み配線2の幅との比を所定値にして書き込み配線2に流れる電流の電流密度を一定にした場合、磁気抵抗効果素子6の幅WMTJを狭くすれば、すなわちギャップ5の幅が狭くすれば、書き込み配線2の幅も狭くなるので、書き込み配線2に流れる電流は小さくなる。また、ギャップ5の幅が広くすれば、書き込み配線2の幅も広くなるので、書き込み配線2に流れる電流は大きくなる。これにより、グラフg2、g3は、右下がりとなる。
However, it is known that when the magnetoresistive effect element is miniaturized, the influence of the demagnetizing field increases and the switching magnetic field increases. This is shown in FIG. Figure 3 takes a reciprocal of the width W G of the
図3のグラフg1から、ギャップ5の幅の逆数に対して、スイッチング磁場がほぼ線形に増加していることが示されている。特に、ギャップ5の幅WGが0.1μmより小さくなると、スイッチング磁場は100Oeを超えることがわかる。グラフg1とグラフg2から、ギャップ5の幅WGと書き込み配線2の幅との比が1である場合に、ギャップ幅が約 0.13μm、すなわち書き込み配線2の幅が約 0.13μmより小さくなるとスイッチングできなくなることがわかる。また、グラフg1とグラフg3から、ギャップ5の幅WGと書き込み配線2の幅との比が0.2である書き込み配線2では、ギャップ幅WGが 0.1μmより小さくなるとスイッチングできなくなることがわかる。
The graph g 1 in FIG. 3 shows that the switching magnetic field increases almost linearly with respect to the reciprocal of the width of the
ギャップ幅WGが0.1μmより小さくても、書き込み配線2の幅WWLを広くすれば、すなわちギャップ幅WGと書き込み配線2の幅WWLとの比を0.2より小さくすれば、図2に示すグラフからわかるように、書き込み配線2に流れる電流による誘導磁場Hが上昇するため、書き込み配線2による磁場の特性を示す図3のグラフg2は、右上方に移動することになり、記憶層の磁化を、より容易にスイッチングすることができることになる。
Even if the gap width W G is smaller than 0.1 μm, if the width W WL of the
以上説明したことにより、本実施形態においては、ギャップ幅WGと書き込み配線2の幅WWLとの比を0.2以下にすることにより、書き込み電流を小さくすることができるとともに熱擾乱耐性を確保することができる。
As described above, in the present embodiment, by setting the ratio of the gap width W G and the width W WL of the
なお、上記説明においては、磁気抵抗効果素子6の記憶層に、形状磁気異方性を持たせていたが、形状磁気異方性ではなく、結晶磁気異方性を持たせることにより磁化容易軸を規定することも可能である。この場合には、磁気抵抗効果素子6の平面形状を等方的にすることで、図3に示されるような磁気抵抗効果素子の微細化によるスイッチング磁場の増大はない。従って、微細化に対しては、この方法を用いるのが効果的である。なお、結晶磁気異方性の強い材料としては、Coやその合金であるCo−Cr、Co−Mn、Co−Fe、Co−Ni、Co−Cuなど、Mnやその化合物MnSb、MnBi、MnCrSb、MnGeなど通常知られているものを用いることができる。
In the above description, the storage layer of the
なお、磁気抵抗効果素子6の記憶層に、結晶磁気異方性を持たせた場合でも、図2からわかるように、ギャップ幅WGと書き込み配線2の幅WWLとの比は0.2以下にすることが好ましい。
Even when the
また、図1に示す第1実施形態では、磁気抵抗効果素子を有するメモリセルをアレイ状に配置すると、読み出しのときに回り込み電流が生じる。このため、読み出し動作が遅くなってしまうが、構造が単純なため、例えばメモリセルを積層して大容量メモリを実現することが可能となる。 In the first embodiment shown in FIG. 1, when memory cells having magnetoresistive elements are arranged in an array, a sneak current is generated during reading. For this reason, the read operation is slow, but since the structure is simple, for example, a large capacity memory can be realized by stacking memory cells.
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態による磁気メモリを、図4を参照して説明する。図4は、第2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、第1実施形態による磁気メモリにおいて、磁気抵抗効果素子6を書き込み配線2に直接接続する代わりに、引き出し配線30を介して読み出し用選択トランジスタ40に直接接続するように構成したものである。このため、磁気抵抗効果素子6はヨーク4のギャップ5には挿入されない状態となる。なお、ギャップ5の幅WGは、磁気抵抗効果素子6の幅と実質的に同じ幅を有する。ここで、実質的に同じ幅を有するとは、磁気抵抗効果素子6がヨーク4bと接触しない程度の幅であり、本実施形態においては、ギャップ5の幅WGは磁気抵抗効果素子6の幅WMTJよりも10nm程度大きく形成される。
(Second Embodiment)
Next, a magnetic memory according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view showing the configuration of the memory cell of the magnetic memory according to the second embodiment. In the magnetic memory according to this embodiment, in the magnetic memory according to the first embodiment, the
第1実施形態と同様に、磁気抵抗効果素子6の幅WMTJ、すなわち磁気抵抗効果素子6の幅WMTJに実質的に等しいギャップ5の幅WGを変えた、上述した構成の磁気メモリを、各種製作し、実験を行った。これを、以下に説明する。
As in the first embodiment, the magnetic memory having the above-described configuration in which the width W MTJ of the
書き込み配線2は、幅500nm、厚さ400nmであり、読み出し配線8は幅600nm、厚さ500nmである。磁気抵抗効果素子6は、Co−Feからなる磁化固着層6aと、アルミナからなるトンネルバリア層6bと、膜厚2nmのCo−Fe−Ni からなる記憶層6cとを有している。Co−Fe からなる磁化固着層6aには、トンネルバリア層6bと反対側にIr−Mnからなる反強磁性層6eが近接して設けられている。磁化固着層6aと反強磁性層6eの間には交換相互作用が働いており、この交換相互作用によってCo−Feからなる磁化固着層6aの磁化が固着される。記憶層6cは、トンネルバリア層6bと反対側の面に設けられた電極6dを介して読み出し配線8に電気的に接続される。磁気抵抗効果素子6の幅WMTJ、すなわちギャップ5の幅WGは、書き込み配線2の幅WWLに対し、0.8〜0.05倍までの6種類を用意した。
The
この系について、書き込みテストを行ったところ、図5に示すような結果が得られた。すなわち、図5は、一定幅の書き込み配線2に対し、一定電流IWを流したときに誘導される磁場Hをプロットしたものであり、横軸はギャップ5の幅WGを書き込み配線2の幅で割った値で、縦軸は誘導磁場Hを書き込み電流IWで割った値である。誘導磁場Hは、ギャップ5の幅WGが0.8倍から狭くなるにつれて徐々に大きくなり、特に、0.2倍以下になると急激に大きくなることがわかる。
When a writing test was performed on this system, results as shown in FIG. 5 were obtained. That is, FIG. 5, to write
なお、上記では、磁気抵抗効果素子6の記憶層の磁化容易軸は、書き込み配線2に流れる電流が誘導する磁場の方向と一致する方向であることを述べた。この磁気異方性を実現するには、例えば、磁気抵抗効果素子6の平面形状(膜面形状)を、書き込み配線2にながれる電流による誘導磁場の方向に延びているアスペクトをもつようにすればよい。この場合は、記憶層の形状磁気異方性により磁化容易軸が設定される。
In the above description, it has been described that the easy axis of magnetization of the storage layer of the
本実施形態において、第1実施形態と同様に磁気抵抗効果素子が微細化されるにつれて、スイッチング磁場が大きくなる。これを図6に示す。図6は、横軸にギャップ5の幅の逆数を取り、縦軸にスイッチング磁場、すなわち記憶層の磁化の向きを反転することのできる最小な磁場を取ってある。なお、図6においてはギャップ5の幅WGは、磁気抵抗効果素子6の幅WMTJに対して10nm大きい値である。図6のグラフg1は、記憶層のスイッチング磁場の特性を示している。また、グラフg2は、ギャップ5の幅WGと書き込み配線2の幅との比が1である場合、すなわち図4に示すヨーク4aは存在するがヨーク4bが存在しない場合に、電流密度が106A/cm2の電流を流したときに誘導される誘導磁場の特性を示す。グラフg3は、ギャップ5の幅WGと書き込み配線2の幅との比が0.2である場合に、電流密度が106A/cm2の電流を流したときに誘導される誘導磁場の特性を示す。第1実施形態で説明した図3の場合と同様にグラフg2、g3は、右下がりとなる。
In the present embodiment, the switching magnetic field increases as the magnetoresistive effect element is miniaturized as in the first embodiment. This is shown in FIG. In FIG. 6, the horizontal axis represents the reciprocal of the width of the
図6のグラフg1から、ギャップ5の幅、すなわち磁気抵抗効果素子6の幅の逆数に対して、スイッチング磁場がほぼ線形に増加していることが示されている。特に、ギャップ5の幅WGが0.1μmより小さくなると、スイッチング磁場は100Oeを超えることがわかる。グラフg1とグラフg2から、ギャップ5の幅WGと書き込み配線2の幅との比が1である場合に、ギャップ幅が約 0.17μmより小さくなるとスイッチングできなくなることがわかる。また、グラフg1とグラフg3から、ギャップ5の幅WGと書き込み配線2の幅との比が0.2である場合に、ギャップ幅WGが 0.12μmより小さくなるとスイッチングできなくなることがわかる。
The graph g 1 in FIG. 6 shows that the switching magnetic field increases almost linearly with respect to the width of the
ギャップ幅WGが0.12μmより小さくても、書き込み配線2の幅WWLを広くすれば、すなわちギャップ幅WGと書き込み配線2の幅WWLとの比を0.2より小さくすれば、図5に示すグラフからわかるように、書き込み配線2に流れる電流による誘導磁場Hが上昇するため、書き込み配線2による磁場の特性を示す図6のグラフg3は、右上方に移動することになり、記憶層の磁化を、より容易にスイッチングすることができることになる。
Even if the gap width W G is smaller than 0.12 μm, if the width W WL of the
以上説明したことから、本実施形態においては、ギャップ幅WGと書き込み配線2の幅WWLとの比は、0.24以下にすることにより、書き込み電流を小さくすることができるとともに熱擾乱耐性を確保することができる。
As described above, in the present embodiment, the write current can be reduced and the thermal disturbance resistance can be achieved by setting the ratio of the gap width W G and the width W WL of the
本実施形態においては、引き出し配線30があるために、磁気抵抗効果素子6の記憶層が書き込み配線からわずかに遠くなるため、磁場印加効率が第1実施形態に比べて多少落ちることになる。しかし、磁気抵抗効果素子6にスイッチングトランジスタ40が接続されていることで、第1実施形態で生じる回り込み電流がゼロとなるために、メモリとして高速な応答が可能となるという利点がある。従って、システムLSIなどの用途に好適である。
In the present embodiment, since there is the lead-
なお、第1実施形態で説明したように、磁気抵抗効果素子6の記憶層に、形状磁気異方性ではなく、結晶磁気異方性を持たせることにより磁化容易軸を規定することも可能である。この場合には、磁気抵抗効果素子6の平面形状を等方的にすることで、図6に示されるような磁気抵抗効果素子の微細化によるスイッチング磁場の増大はない。
As described in the first embodiment, it is possible to define the easy axis of magnetization by giving the storage layer of the
なお、第1および第2実施形態において、記憶層に結晶磁気異方性の材料を用いる場合は、結晶磁気異方性の大きな材料を用いればよい。特に、異方性定数が1×103より大きいことが好ましい。異方性定数が1×103のとき、その保磁力は2Oe〜3Oe程度であるため、記憶素子として用いるためにはより大きな異方性定数をもつほうが好ましい。しかし、異方性定数が大きいと、反転に必要な磁場が大きくなりすぎて、書き込み電流が増加してしまう。例えば異方性定数が1×106より大きくなると保磁力は1kOeを超えるようになり、実用的ではない。異方性定数が適切な値(1×103より大きく1×106以下の値)を有する材料としてFe、Co、Niやそれらの合金はもちろんのこと、Fe3O4、NiFe2O4、MnFe2O4などのフェライト、YIG、GdIGなどがあげられる。また、Gd、Tb、Dy、Erなどの4f金属や、それらの合金などはより大きな異方性定数をもつが、薄膜化することにより異方性定数をコントロールして好ましい値をもつようにすることができる。異方性定数は、トルク磁力計または振動型試料磁力計(VSM)によりトルク曲線を測定することにより得られる。また、異方性定数は、VSMなどにより磁化曲線を測定すること、または共鳴法により共鳴磁場を測定することによりも求めることができる。 In the first and second embodiments, when a material having magnetocrystalline anisotropy is used for the memory layer, a material having a large magnetocrystalline anisotropy may be used. In particular, the anisotropy constant is preferably larger than 1 × 10 3 . When the anisotropy constant is 1 × 10 3 , the coercive force is about 2 Oe to 3 Oe. Therefore, it is preferable to have a larger anisotropy constant for use as a memory element. However, if the anisotropy constant is large, the magnetic field required for inversion becomes too large and the write current increases. For example, when the anisotropy constant is larger than 1 × 10 6 , the coercive force exceeds 1 kOe, which is not practical. Fe 3 O 4 , NiFe 2 O 4 as well as Fe, Co, Ni, and alloys thereof as materials having anisotropy constants having appropriate values (values greater than 1 × 10 3 and less than or equal to 1 × 10 6 ). And ferrite such as MnFe 2 O 4 , YIG, GdIG and the like. Also, 4f metals such as Gd, Tb, Dy, Er, and alloys thereof have a larger anisotropy constant, but by controlling the anisotropy constant by making it thin, it has a preferable value. be able to. The anisotropy constant is obtained by measuring a torque curve with a torque magnetometer or a vibrating sample magnetometer (VSM). The anisotropy constant can also be obtained by measuring a magnetization curve by VSM or the like, or by measuring a resonance magnetic field by a resonance method.
なお、磁気抵抗効果素子6の記憶層に、結晶磁気異方性を持たせた場合でも、図2および図5からわかるように、ギャップ幅WGと書き込み配線2の幅WWLとの比は0.2以下にすることが好ましい。
Even when the storage layer of the
2 書き込み配線
4 ヨーク
4a ヨーク
4b ヨーク
5 ヨークのギャップ
6 磁気抵抗効果素子
6a 磁気固着層
6b トンネルバリア層
6c 磁化自由層(記憶層)
6d 電極
8 読み出し配線
20 選択トランジスタ
30 引き出し配線
40 読み出し用選択トランジスタ
100 絶縁膜
2 writing
6d Electrode 8 Read-
Claims (6)
電流による誘導磁場を発生し、前記誘導磁場により前記記録層の磁化の向きを反転可能な書き込み配線と、
前記書き込み配線を被覆し、前記磁気抵抗効果素子に対向する側に前記磁気抵抗効果素子の幅と実質的に同じ幅を有するギャップが設けられたヨークと、
前記磁気抵抗効果素子の一端に電気的に接続される読み出し配線と、
を備え、前記ギャップの幅が前記書き込み配線の幅の0.2倍以下であることを特徴とする磁気メモリ。 A magnetization pinned layer made of a magnetic layer with a fixed magnetization direction, a recording layer made of a magnetic layer with a variable magnetization direction, and a nonmagnetic layer provided between the magnetization pinned layer and the recording layer; A magnetoresistive element having
A write wiring that generates an induced magnetic field by current and can reverse the magnetization direction of the recording layer by the induced magnetic field;
A yoke that covers the write wiring and is provided with a gap having a width substantially the same as the width of the magnetoresistive element on the side facing the magnetoresistive element;
A read wiring electrically connected to one end of the magnetoresistive element;
The magnetic memory is characterized in that the width of the gap is not more than 0.2 times the width of the write wiring.
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-
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- 2004-01-15 JP JP2004007773A patent/JP2005203535A/en active Pending
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