JP2006005308A

JP2006005308A - 不揮発性磁気メモリ

Info

Publication number: JP2006005308A
Application number: JP2004182730A
Authority: JP
Inventors: Toshio Ando; 敏男安藤
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 2004-06-21
Filing date: 2004-06-21
Publication date: 2006-01-05

Abstract

【課題】構成が簡単で、メモリ動作が確実な不揮発性磁気メモリを提供する。
【解決手段】外部磁場に対して磁化が変化する磁気ヒステリシス特性を有する棒形状を有し、棒形状の長手方向に沿って、１つの磁壁１４を生じ、棒形状の両端に、第１、第２の電極１５、１７及びその中央部に第３の電極１６を有する不揮発性磁気メモリ２０Ａにおいて、１つの磁壁１４が移動した際に固定するための第1のくびれ部１８を第１の電極１５と第３の電極１６との間に、かつ第２のくびれ部１９を第２の電極１７と第３の電極１６との間に形成する。
【選択図】図５

Description

本発明は、磁性体中に単一存在する磁壁の位置を制御することにより、その位置に対応させて、随時、情報を書き込み及び読み出しできる不揮発性磁気メモリに関する。

近年、小型で携帯可能なデジタルカメラ、ビデオムービー及び携帯電話などの普及に伴い、これらの機器に組み込むための、小型で大容量かつリムーバブルの不揮発性固体メモリの需要が急速に高まっている。
不揮発性固体メモリ（以下、単に固体メモリともいう）は、ハードディスクや光ディスクのように、情報の記録再生において、記録媒体に対して相対運動する検出器（ヘッド）を必要としないので、上記のようなモバイル用の記憶素子（メモリ）として有用である。

ところで、現在、実用化されているこれらリムーバブルの固体メモリは全て、誘電体の電荷の有無を情報として記憶し、読出す方式のものである。
しかし、この方式の固体メモリにおいては、（１）情報の消去・書き込みに長い時間を要する、（２）書き込み・読み出しの可能な繰り返し回数が少ない、といった問題があり、期待される将来の情報書込み・読出しの高速化に対して必ずしも十分な特性を有していない。

これらの問題を克服するため、磁性体に磁界を加えると電気抵抗が変化する現象（磁気抵抗効果）を利用した、書込み・読出しを高速かつ繰り返し性高く行える不揮発性メモリであるＭａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅＲａｎｄａｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ（以下、単にＭＲＡＭという）が、提案され、各所で精力的に研究開発が進められている（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。

ＭＲＡＭにおけるメモリ部は、主に、順次積層された固定磁化層、絶縁層及び磁化反転層から構成されている。ここでは、記録されている信号を読み出す場合には、絶縁層を介して固定磁化層と磁化反転層との間にトンネル電流を流したときの磁気抵抗効果を利用する。この構成は一般にはＭａｇｎｅｔｉｃＴｕｎｎｅｌＪｕｎｃｔｉｏｎ（以下、単にＭＴＪともいう）と呼ばれる。

ＭＲＡＭに関しては、実用化に向けて多くの研究がなされているが、その過程で、ＭＲＡＭにおいては、誘導磁場（書き込み線に電流を流して発生させる）を磁化反転に用いていることに起因して、（ａ）磁化反転に必要な強さの誘導磁場を形成するのに、多大な電力を消費する、及び、（ｂ）誘導磁場が、隣接の素子において不随意な書き込み（誤動作）を引き起こす、（ｃ）素子のサイズが増大する、という問題があることが判明した。

これらの問題を克服すべく、スピン注入という手法を用いることによって、磁化反転させるという方法が、新たに提案された（特許文献３参照。）。
スピン注入という方法は、外部の誘導磁場によらず、磁性体そのものに電流パルスを流すことによって、スピン偏極した電子を磁性体内に注入して磁化反転させるものである。この方法によれば、情報書き込み用の誘導磁場を発生させるための書き込み線が必要ないので、上記（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の問題が全て解決される。
特開平９−２５１６２１号公報特開平９−２６０７４３号公報特開２００３−１７７８２号公報

ところで、上記の特許文献３に示される方法で磁化反転を実現するためには、上述のように、少なくともメモリ部には、積層した固定磁化層、絶縁層及び磁化反転層が必要となる。これらの層の形成には、スパッタ法やＭＢＥ（ＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ：分子線エピタキシャル）法といった乾式の成膜装置を用いる必要がある。しかし，これらの成膜装置は大掛かりで高価な上、成膜に時間を要し、製造コストが高くなるという問題がある。

更に、上述のＭＴＪにおいて、信号を読み出す場合、抵抗値の絶対値及び抵抗変化率は場所によって変化することなく、均一である必要がある。しかし上記の構成では均一性を確保するのが困難であるという問題があり、これがＭＲＡＭの実用化を阻害している最も大きな要因の１つになっている。その理由は、上記構成から成る膜の特性が成膜条件に敏感であり、特に絶縁層の膜厚に対しては、原子層レベルで制御する必要があり、大面積にわたって厳密に制御するのが困難なためである。また、絶縁層の形成において、ピンホールのような欠陥を皆無にすることは困難である。欠陥があると、その部分で固定磁化層と磁化反転層とがショートしてしまい、磁気抵抗効果が消滅してしまい、メモリとして動作しなくなるという問題がある。

そこで、本発明は、上記問題を解決して、構成が簡単で製造しやすく、低コストで製造でき、しかもメモリセル間で均一な特性を容易に得られ、メモリ動作が確実で、誤動作の少ない不揮発性磁気メモリを提供することを目的とする。

上記目的を達成するための手段として、本願発明は、外部磁場に対して磁化が変化する磁気ヒステリシス特性を有する棒形状を有し、前記棒形状の長手方向に沿って、１つの磁壁１４を生じ、前記棒形状の両端に、第１、第２の電極１５、１７及びその中央部に第３の電極１６を有する不揮発性磁気メモリ２０Ａにおいて、
１つの磁壁１４が移動した際に固定するための第1のくびれ部１８を第１の電極１５と第３の電極１６との間に、かつ第２のくびれ部１９を第２の電極１７と第３の電極１６との間に形成することを特徴とする不揮発性磁気メモリである。

本発明の不揮発性磁気メモリは、請求項１記載によれば、外部磁場に対して磁化が変化する磁気ヒステリシス特性を有する棒形状を有し、前記棒形状の長手方向に沿って、１つの磁壁を生じ、前記棒形状の両端に、第１、第２の電極及びその中央部に第３の電極を有する不揮発性磁気メモリにおいて、前記１つの磁壁が移動した際に固定するための第1のくびれ部を前記第１の電極と前記第３の電極との間に、かつ第２のくびれ部を前記第２の電極と前記第３の電極との間に形成することにより、構成が簡単で製造しやすく、低コストで製造でき、メモリセル間で均一な特性を得やすく、製造時の歩留りが高く、磁壁が安定に存在しうるポイントを設けてあるので、メモリの動作が確実で、誤動作が少ない不揮発性磁気メモリを提供できるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態につき、図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係る不揮発性磁気メモリを構成する磁性体を説明する図である。図１の（ｂ）は、磁性体１０の磁気特性を示すＭ−Ｈ曲線である。図１の（ａ）は、Ｍ−Ｈ曲線の点Ａ（Ｈ＝０）における磁性体１０の磁化状態を示し、図１の（ｃ）は、Ｍ−Ｈ曲線の点Ｂ（Ｈ＝０）における磁性体１０の磁化状態を示す。

磁性体１０は、自発磁化を有する強磁性体であり、短冊状の形状を有しており、その長手方向に沿って一軸異方性を有している。材料としては、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏのうちいずれか、もしくはこれらの合金、さらには、これらと他の非磁性元素との合金である。
図１の（ｂ）に示すように、磁性体１０に十分大きな正の外部磁場Ｈを印加すると、Ｍ−Ｈ曲線において飽和を示す点ａに達する。このとき、内部磁化は一方向に揃っている。外部磁場Ｈを減少していくと、点ｃまで同じ磁化状態を保つが、さらに減少すると、一部の領域の磁化が反転し、点Ａに達してもその状態が保たれる。

図１の（ａ）に示すように、点Ａ（外部磁界Ｈ＝０）においては、磁性体１０には磁区１（右向きの磁化１ａを有する）と磁区２（左向きの磁化１ａより小さな磁化２ａを有する）が現れ、その境界には磁壁３が生成する。磁性体１０はその形状及び材質より、磁壁３が１個だけ生成するように構成されている。

外部磁場Ｈを反転させて（負の磁場）印加していくと、点ｅまでは、図１の（ａ）に示す状態をとるが、点ｅを越えると磁壁３は左の方に移動し、点ｆで磁区１と磁区２の大きさが同一となり、さらに点ｇに達すると、図１の（ｃ）に示す状態となる。
すなわち、点ｇにおいては、磁区１Ａ（右向きの磁化１Ａａを有する：この大きさは磁化２ａと略同様である）と磁区２Ａ（左向きの磁化２Ａａを有する：この大きさは磁化１ａと略同様である）が現れ、その境界には磁壁３Ａがある。

さらに、負の磁場Ｈを印加していくと、点ｇから点ｈまでは同じ状態を保つが、点ｈを越えると、磁壁３Ａは左方に移動し、点ｉに達すると、磁壁３は消滅して磁性体１０は左向きに一様に磁化された状態となる。点ｉより磁場を減少させていくと、点ｋまで同じ状態が保たれるが、点ｋより磁壁３が左端に生成して、点ｌに達すると、図１の（ｃ）に示す状態になる。この状態は、磁場Ｈを減少させて点ｌから点Ｂ（磁場０）を経由して、正の磁場Ｈを印加していくと点ｍまで続く。点ｍに達すると、磁壁３は右方に移動し、点ｏに達すると図１の（ａ）に示す状態を磁性体１０はとる。さらに磁場を大きくしてゆき、点ｐまでは同じ状態を保つが、点ｐに達すると磁壁３はさらに右方に移動し、点ｂで磁性体１０は右方向に一様磁化する（点ａと同様の状態である）。
以上、本発明に係る不揮発磁気メモリを構成する磁性体１０を説明した。

次に、不揮発性磁気メモリについて説明する。
図２は、本発明に係る不揮発性磁気メモリを示す基本構成図である。
同図に示すように、本発明に係る不揮発性磁気メモリ１０Ａは、上述した磁性体１０に電極５、６、７を形成したものより構成される。短冊状の磁性体１０は、２つの磁区１と磁区２と、この磁区１、２間に形成されている磁壁３より構成されている。この場合、磁区１には右向きの磁化１ａが存在し、磁区２には左向きの磁化２ａが存在するとして表示してある。磁化１ａは、磁化１ｂより大きいとして示してある。

図示の磁性体１０の短冊状の長手方向の左端に電極５が、右端に電極７が、中央に電極６がそれぞれ配置されている。一般的には、電極は磁性体内の任意の２点もしくはそれ以上に接続され、信号の書込み／読出しを行う際に、磁性体１０内に電流を流すことに用いる。材料としては、導電性の高い金属であれば良く、例えば、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌもしくはこれらを含有する合金を用いる。

磁壁３とは磁区１と磁区２との境界であり、磁化の方向が変化している領域である。同図では、電極６と電極７との間（以下、電極６−７間とも表示する。）の磁性体１０内に磁壁３が存在する。磁壁３は磁性体１０内に電流を流すことによって磁性体１０内で移動するものである。
ここで、電極５と電極６との間（以下、電極５−６間とも表示する。）の磁性体１０の電気抵抗をＲ１とし、電極６−７との間の磁性体１０の電気抵抗をＲ２とすると、Ｒ１はＲ２より大きい。これは、磁性体１０内において磁壁３の電気抵抗が、磁区１、２の電気抵抗より極めて大きいことに起因する。

次に、この不揮発性磁気メモリ１０Ａに、信号の書込み／読出しを行う方法を説明する。
定義として、図２に示すように、磁壁３が電極５−６間に存在せず、電極６−７間に存在するとし、電気抵抗Ｒ１が小さく、電気抵抗Ｒ２が大きい状態を信号“０”とする。一方、磁壁３が電極５−６間に存在して、電極６−７間には無く、電気抵抗Ｒ１が大きく、電気抵抗Ｒ２が小さい状態を信号“１”としておく（図３の状態）。

まず、図２に示す磁性体１０の状態から信号“１”を書込む場合を説明する。
図３は、本発明に係る不揮発性磁気メモリにおいて、信号“１”を書込む場合を説明する図である。
同図には信号“１”が書き込まれた状態を示してある。
同図に示すように、磁性体１０の左側（電極５）から右側（電極７）に電流４を流す。このとき磁壁３は、電流４の流れる方向とは反対に右から左に移動し、電極５−６間に来る。これで、電極５−６間の電気抵抗Ｒ１が、電極６−７間の電気抵抗Ｒ２より大きい状態となり、信号“１”が書込めたことになる。

磁壁３が電流４とは反対に右から左方向に移動するのは、電流４による電子の移動する方向は右から左であり、電子が磁壁３を通過するとき、スピンの角運動量を保存するために磁壁３が電子の移動する方向に移動するためである。
ここでは、図２に示した磁化１ａを有する磁区１は、磁化１ａより小さな磁化１Ａａを有する磁区１Ａに変化し、磁化２ａを有する磁区２は、磁化２ａより大きな磁化２Ａａを有する磁区２Ａに変化している。

次に、図３に示す信号“１”の書き込まれた磁性体１０に信号“０”を書込む場合を説明する。
図４は、本発明に係る不揮発性磁気メモリにおいて、信号“０”を書込む場合を説明する図である。
同図には信号“０”が書き込まれた状態を示してある。
図３の状態から信号“０”を書込む場合は、信号“１”を書込む場合と同様の要領で、流す電流４Ａの方向を図３の場合の電流４とは逆方向の右から左にすればよい。これによって磁壁３は、左から右に移動し、電極６−７間に来て、電気抵抗Ｒ１が電気抵抗Ｒ２より大きい状態となるので、信号が書込めたことになる。

次に、信号の読出しについて説明する。
書き込まれた信号（“０”または“１”）を読み出すには、電気抵抗Ｒ１もしくは電気抵抗Ｒ２（または、両方とも）を検出すればよい。具体的には電極５−６間（または、電極６−７間）に定電流を流して電極５−６間（または、電極６−７間）の電位差を読む、電極５−６間（または、電極６−７間）に定電圧を加えて電流値を読む、といった方法がある。信号の読出しには、電気抵抗Ｒ１もしくは電気抵抗Ｒ２のいずれか一方を検出することにより可能であるが、差動回路を形成して、電気抵抗Ｒ１と電気抵抗Ｒ２の差分を検出するようにすると、更に読出しの確度が向上する。ここで、信号を読み出す場合の電流の大きさは、信号を書込むときの電流よりも小さくし、磁壁３が移動しないようにする必要がある。

以上、本発明に係る不揮発性磁気メモリの基本構成について説明したが、短冊状の磁気メモリに設けた３つの電極に対し、それぞれ２個の中間に位置する磁性体の領域に、少なくとも１ヶ所ずつ、他の場所に比べて磁壁が安定に存在しうるポイントを設けると、更に確実な動作が実現できる。図５により、その一例を後述するが、磁壁を滞在させたい場所にくびれ（狭窄部）を形成し、その場所の磁性体の断面積を相対的に小さくしておくと、磁壁はくびれの部分で安定に滞在できるので、他の不安定な部分に留まることがなくなるので、磁気メモリの誤動作がなくなり、確実な動作が実現できる。

更に確実に動作させるために、磁壁が安定に存在しうるポイントが、そこに磁壁が存在したときバリスティックな伝導が得られるナノコンタクト状態にすると有効である。バリスティックな伝導とは、磁性体中を電子が移動するとき、磁性体の磁化によってスピン偏極した電子が散乱されずに偏極状態を保ったまま移動することを指す。スピン偏極した電子は磁壁で反射しやすいので、磁壁をはさんだ両端では電気抵抗が高く、電極間に磁壁がある場合とない場合とでの電気抵抗の比を１０から１０００という大きな値がとれるので、磁気メモリの動作は一層安定になる。

図５は、本発明の不揮発性磁気メモリの実施例における磁性体を示す構成図である。
図６は、本発明の不揮発性磁気メモリの実施例を示す構成図である。図６の（ａ）は平面図を示し、図６の（ｂ）は図６の（ａ）におけるＡＡ−ＢＢ断面図である。
図７は、本発明の不揮発性磁気メモリの実施例において、書込み（記録）方法を説明するための図である。
図８は、本発明の不揮発性磁気メモリの実施例において、読出し（再生）方法を説明するための図である。

図５に示すように、本実施例の不揮発性磁気メモリ（以下、単にメモリともいう）２０Ａにおける磁性体２０は、短冊状をしており、長手方向の両端にはこれらに接続する電極１５、１７を設け、中央部には電極１６を設けてある。磁性体には、電極１５と電極１６との間に狭窄部１８を、電極１６と電極１７との間に狭窄部１９を設けてある。これにより、磁性体２０は３領域１１、１２、１３より構成される。ここでは、磁性体２０に存在する磁壁１４は狭窄部１９に存在している様子を示してある。領域１１と領域１２には右向きの磁化２２が存在し、領域１３には左向きの磁化２３が存在する。

次に、図６により、不揮発性磁気メモリ２０Ａに作製について述べる。
まず、ガラスまたは酸化処理されたＳｉ等からなる基板上に、図６に示すような磁性体２０と、その上に電極１５、１６，１７のパターンを形成する。
基板の材料としては、上記には限らないが、絶縁体もしくは導電性の場合は酸化処理するなど、絶縁皮膜するのがよい。
パターン形成にはリソグラフィーの手法を用い、磁性体２０と電極１５，１６，１７は、メッキ、スパッタ、蒸着等の成膜方法を用いる。

図６には、単一のメモリ２０Ａのみ示してあるが、メモリの容量に応じて、必要な数だけ並べてパターンニングする。
磁性体２０としては例えば、Ｎｉ８０−Ｆｅ２０ａｔ％の合金を用いる。短冊状の磁性体２０の幅は、作製しようとするメモリの容量によって決定されるが、例えば幅１００ｎｍ、膜厚１０ｎｍ程度とする。長さは、磁性体２０のＨｃ（１０〜１００Ｏｅ程度の範囲である）に応じて、単一磁壁となるように定める。さらに、磁壁１４が所定の位置に安定に滞在させるため、電極１６に対して両側に、幅５−５０ｎｍ程度のくびれ（狭窄部）１８、１９を形成する。幅５ｎｍ程度になるとナノコンタクト状態になると考えられる。

電極１５，１６、１７の材料としてはＣｕ、Ａｕなどを用いる。電極１５，１６，１７のパターンの厚みと大きさは、メモリの容量と後で配線して導通をとるのに十分となるように考慮して決める。
次に、メモリ２０Ａに信号“１”を書込む手順について述べる。
図７に示すとおり、電極１５がプラス、電極１７がマイナスとなるように電源２１を接続し、電圧Ｖｗを印加して電極１５から電極１７に向かい磁性体２０中に電流を流す。このときの電流値は、磁壁１４を狭窄部１９から移動させて狭窄部１８（電極１５−電極１６間）に来るのに十分な電流密度から決定する。

この場合の磁性体２０の断面積は、
１００ｎｍ×１０ｎｍ＝１０００ｎｍ²＝１０^-11ｃｍ²
であるので、例えば、磁壁１４の移動に必要な電流密度を１０⁸Ａ／ｃｍ²とすると、必要な電流値は、
１０⁸Ａ／ｃｍ²×１０^-11ｃｍ²＝１０^-3Ａ＝１ｍＡ
とすればよい。このとき、数μｓｅｃのパルス電流で、十分磁壁１４は移動する。

メモリ２０Ａに信号“０”を書込む場合は、上記“１”を書込む場合と電流の向きが逆になるよう、電極１５をマイナス、電極１７をプラスとして電源２１を接続し、電極１７から電極１５に向かって磁性体２０中に、上述と同様の電流を流せばよい。

次に、信号を読み出す手順について述べる。
図８に示すとおり、信号を書込むときと同様、電極１５と電極１７間に電圧Ｖｒを印加する。ただしこのとき、電極１５から電極１７に向かって磁性体２０中を流れる電流により、磁壁１４が移動しない程度に、電流値を小さく設定する。例えば、電流密度を１０⁵〜１０⁶Ａ／ｃｍ２程度（電流値は１から１０μＡ程度になる）にする。
そして、このとき、例えば、電極１６と電極１７との間の電位差を電圧計２５により検出する。磁壁１４の存在するところで抵抗値が高くなっているので、電位差が小さければ信号“１”、大きければ信号“０”である。なおこれは、電極１５と電極１７との間の電位差を検出するようにしてもよい。この場合は電位差が小さければ信号“０”、大きければ信号“１”となる。

以上は、1個のメモリセルにおける動作の例を示したが、実際のメモリはセルが複数並んでいる。この場合は単純マトリクス型にセルを配列させたメモリ素子に外部から電源供給およびセレクタ回路によって所望のセルを選択して書込み・読出しを行う方法や、個々のセルにトランジスタを設けて動作させる方法がある。これらの方法は、従来の半導体技術を流用して実現可能である。

以上、説明したように、本発明の不揮発性磁気メモリは、単層で短冊状の簡単な構成の磁性体よりなっており、製造しやすく、しかも低コストで製造できる。単純な構成であるので、複数のメモリセルよりメモリを構成した場合でも、メモリセル間で均一な特性を得やすく、製造時の歩留まりも良好となる。磁性体中に、磁壁が安定に存在しうる場所（狭窄部）を設けることで、メモリの動作が安定確実に行われ、誤動作が少ない。磁壁が安定に存在しうる場所（ポイント）を、磁壁が存在したときバリスティックな伝導が得られるナノコンタクト状態にすることで電気抵抗変化がさらに大きくなり、メモリの動作が一層確実となり誤動作が極めて少なくなる。

デジタルカメラ、ビデオムービー、携帯電話等モバイル機器用の外部メモリ、コンピュータ用の内・外部メモリ（ＤＲＡＭ、ＨＤＤ、ＣＤ／ＤＶＤの置換え）、ＡＶ機器その他の家電製品のメモリ、インスタントオンのコンピュータのメインメモリとして適用できる。

本発明に係る不揮発性磁気メモリを構成する磁性体を説明する図である。本発明に係る不揮発性磁気メモリを示す基本構成図である。本発明に係る不揮発性磁気メモリにおいて、信号“１”を書込む場合を説明する図である。本発明に係る不揮発性磁気メモリにおいて、信号“０”を書込む場合を説明する図である。本発明の不揮発性磁気メモリの実施例における磁性体を示す構成図である。本発明の不揮発性磁気メモリの実施例を示す構成図である。本発明の不揮発性磁気メモリの実施例において、書込み（記録）方法を説明するための図である。本発明の不揮発性磁気メモリの実施例において、読出し（再生）方法を説明するための図である。

符号の説明

１…磁区、１ａ…磁化、１Ａ…磁区、２…磁区、２ａ…磁化、２Ａ…磁区、３…磁壁、４…電流、４Ａ…電流、５…電極、６…電極、７…電極、１０…磁性体、１０Ａ…不揮発性磁気メモリ、１１…領域、１２…領域、１３…領域、１４…磁壁、１５…電極、１６…電極、１７…電極、１８…狭窄部（くびれ部）、１９…狭窄部（くびれ部）、２０…磁性体、２０Ａ…不揮発性磁気メモリ、２１…電源、２２…磁化、２３…磁化、２５…電圧計

Claims

外部磁場に対して磁化が変化する磁気ヒステリシス特性を有する棒形状を有し、前記棒形状の長手方向に沿って、１つの磁壁を生じ、前記棒形状の両端に、第１、第２の電極及びその中央部に第３の電極を有する不揮発性磁気メモリにおいて、
前記１つの磁壁が移動した際に固定するための第1のくびれ部を前記第１の電極と前記第３の電極との間に、かつ第２のくびれ部を前記第２の電極と前記第３の電極との間に形成することを特徴とする不揮発性磁気メモリ。