JP2006093578A - 低消費電力磁気メモリ及び磁化情報書き込み装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超低消費電力な高集積磁気メモリを提供する。
【解決手段】自由層３１１と、自由層の膜厚方向に形成された第一の固定層３１３と、自由層と第一の固定層との間に形成された絶縁障壁層３１２とを有する第一の素子部と、前記自由層３１１と、自由層の膜面方向に形成された第二の固定層３１５と、自由層と第二の固定層との間に形成された非磁性層３１４とを有する第二の素子部を備える。磁化情報の書き込みに際しては第二の素子部の膜面方向に電流Ｉ_wを流し、磁化情報の読み出しに際しては第一の素子部の膜厚方向に電流Ｉ_Rを流す。
【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチング機能とスピントルク磁化反転機能を合わせ持つ低消費電力・高出力磁気メモリ及び磁化情報書き込み装置に関するものである。

従来の磁気メモリは、図１３に示したように、MOSFET上にトンネル型磁気抵抗効果素子（TMR素子）を形成したメモリセル１により構成される。メモリセル１のTMR素子（T. Miyazaki and N. Tezuka, J. Magn. Magn. Mater. 139, L231 (1995)）は、自由層３１、絶縁障壁層３２、固定層３３からなり、ビット線２１２と電極配線４６の間に接続されている。電極配線４６は、電極４２〜４５を介してMOSFET１２〜１４，２３のソース電極２２に接続され、MOSFETのドレイン電極２１は電極４１を介してワード線２１１に接続されている。スイッチングはMOSFETを利用し、ビット線２１２とワード線２１１に通電させることにより発生する電流誘起の空間磁場を使ってTMR素子の自由層３１の磁化方向を回転させ、情報を書き込み、また、TMR素子の出力電圧により情報を読み出す方式である。また、上記電流誘起の空間磁場を使った磁化回転のほかに、直接磁気抵抗効果素子に電流を流すことにより自由層の磁化を回転させるいわゆるスピントランスファートルク磁化反転あるいは同義であるスピン注入磁化反転方式があり、例えば米国特許第５，６９５，８６４明細書や特開２００２−３０５３３７号公報に開示されている。

J. Magn. Magn. Mater. 139, L231 (1995) 米国特許第５，６９５，８６４号明細書 特開２００２−３０５３３７号公報

磁気メモリにおける低消費電力化の実現には、上記スピントランスファートルク磁化反転方式を開発することが重要な課題のひとつであるが、従来のスピントルク磁化反転技術は強磁性層、非磁性層、強磁性層をこの順で積層させた３層構造膜に電流を膜面垂直（積層）方向に流すものであった。この場合、磁化が電流方向に回転するモデルがJ.Z.Slonzewskiにより提唱され、磁化反転に必要な電流（Ｉ_c：閾値電流）は記録磁性層の反磁界にも比例する。磁化反転させる強磁性層は薄膜であって膜面垂直方向の反磁界の影響が大きく、磁化反転に必要な電流を大きく低減させることが不可能であり、課題であった。

本発明は、スピントランスファートルク磁化反転に必要な電流を大きく低減した低消費電力磁気メモリセルを提供することを目的とする。

本発明は、強磁性層、非磁性層、強磁性層の接合膜を膜面内に分離形成し、記録磁性層の反磁界を低減させることにより、スピントランスファートルク磁化反転のＩ_cの大幅な低減を図り、上記目的を達成する。

本発明による磁気メモリは、自由層と、自由層の膜厚方向に形成された第一の固定層と、自由層と第一の固定層との間に形成された絶縁障壁層とを有する第一の素子部と、前記自由層と、自由層の膜面方向に形成された第二の固定層と、自由層と第二の固定層との間に形成された非磁性層とを有する第二の素子部と、第一の素子部の膜厚方向に電流Ｉ_Rを流す手段と、第二の素子部の膜面方向に電流Ｉ_wを流す手段とを備える。磁化情報の書き込みには膜面方向の電流Ｉ_wを用い、磁化情報の読み出しには膜厚方向の電流Ｉ_Rを用いる。

本発明の磁気メモリは、電流磁場を用いない膜面内のスピントルク磁化反転による書込みとTMR素子による読出し方式を具備し、反磁界を低減することによりスピントルク磁化反転の閾値電流を低減できるため、消費電力が極めて小さい高出力磁気メモリを実現することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下の図において、同じ構成部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

［実施の形態１］
図１は、本発明による磁気メモリのメモリセルとスイッチング部の構成例を示す断面模式図である。C-MOSトランジスタ１１は、２つのｎ型半導体１２，１３と１つのｐ型半導体１４からなる。ｎ型半導体１２にドレインとなる電極２１が電気的に接続され、電極４１及び電極４７を介してグラウンドに接続されている。ｎ型半導体１３には、ソースとなる電極２２が電気的に接続されている。さらに２３はゲート電極であり、このゲート電極２３のｏｎ／ｏｆｆによりソース電極２２とドレイン電極２１の間の電流のｏｎ／ｏｆｆを制御する。ソース電極２２に電極４５、電極４４、電極４３、電極４２が積層され、電極４２に自由層３１１が接続されている。メモリセル１のトンネル型磁気抵抗効果素子（TMR素子）２は自由層３１１、絶縁障壁層３１２、第一の固定層３１３の積層膜により構成される。この自由層３１１に膜面内で非磁性導電層３１４、第二の固定層３１５が接続されている。ワード線２１１は、第二の固定層３１５から自由層３１１へ電流を流すために固定層３１５の上に接続されおり、これは、ワード線がMOSFETのドレイン電極に接続されている従来の磁気メモリと異なる（図１３参照）。

本実施例では、自由層３１１はＣｏＦｅ（２ｎｍ）、絶縁障壁層３１２はＡｌの酸化膜（２ｎｍ）、第一の固定層３１３はＣｏＦｅ（５ｎｍ）から形成されている。非磁性導電層３１４はＣｕ（２ｎｍ）、第二の固定層３１５はＣｏＦｅ（２ｎｍ）から形成されている。ＣｏＦｅの組成比は、主としてＣｏ組成を５０〜９０％の間で使用した。自由層３１１の面積は５０ｎｍ×１５０ｎｍ、非磁性導電層３１４の面積は１００ｎｍ×１５０ｎｍ、第二の固定層３１５の面積は１００ｎｍ×１５０ｎｍとした。自由層３１１の磁気モーメントと体積の積は２．７×１０⁴（Ｔ・ｎｍ³）であり、第二の固定層３１５の磁気モーメントと体積の積である５．４×１０⁴（Ｔ・ｎｍ³）よりも小さいため、自由層３１１の磁化がスピントランスファートルクによって反転する。上記素子形状は、一般的なフォトリソグラフィーと電子線描画装置、ＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）およびイオンミリングにより形成した。

絶縁障壁層３１２としては、Ａｌの酸化膜以外に、Ｈｆ，Ｔａ，Ｍｇ，Ｔｉの酸化物を用いることもできる。また、第一の固定層３１３と第二の固定層３１５にはＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ多層膜を用いてもよい。この多層膜を用いることにより、磁化の向きを強い磁界により固定できるため、スピントルク磁化反転を効率よく且つ安定に起こすことが可能である。非磁性導電層としては、Ｃｕ以外にＡｕ，Ｃｒ，Ａｇ，Ｒｕ，Ａｌ，Ｐｔを用いてもよく、これらのうち少なくともひとつを含む材料を用いてもよい。ビット線２１２はTMR素子２の上に電極４６を介して形成され、TMR素子の自由層３１１に書き込まれた磁気情報を読み取る際に電流を流す配線として使用される。

図２は、自由層３１１に対する磁気的な情報の書き込み、読み出し方法の一例を示したものである。例えば自由層３１１と第一の固定層３１３の磁化の方向を平行とし、それを“０”の情報として書き込むときは、図２（ａ）のように、第二の固定層３１５から非磁性層３１４を通して自由層３１１に書き込み電流Ｉ_wを流す。逆に自由層３１１と第一の固定層３１３の磁化の方向を反平行とし、それを“１”の情報として書き込むときは、図２（ｂ）のように、自由層３１１側から非磁性層３１４を通して第二の固定層３１５に書き込み電流Ｉ_wを流す。

書き込み電流Ｉ_wに対してTMR素子２の抵抗の関係は図３のようになっているため、低抵抗状態が自由層３１１と第二の固定層３１３の磁化が平行配列で電気信号“０”、高抵抗状態が自由層３１１と第二の固定層３１３の磁化が反平行配列で電気信号“１”となっている。記録された情報を読み取るにはTMR素子２に読み出し電流Ｉ_Rを流す。すると、“０”の状態と“１”の状態のTMR素子の抵抗の差に起因した電気信号として情報を読み取ることができる。

ここで、スピントルク磁化反転方式による磁化反転の閾値電流密度は
Ｊ_c∝ＭＶ（Ｈ_an＋Ｈ_d） …（１）
と表せることが知られている。Ｍは磁化反転する磁性体の飽和磁化、Ｖはその磁性体の体積、Ｈ_anはその磁性体の異方性磁界、Ｈ_dは電流の流れる方向での磁性膜の反磁界である。

したがって、Ｊ_cはＨ_an＋Ｈ_dに比例することがわかる。ＣｏＦｅのＨ_anは数十Ｏｅの程度である。Ｈ_dについては、例えば図４に、磁化反転するＣｏＦｅ膜のセルの寸法比（直径／膜厚）に対する反磁界Ｈ_dの大きさをプロットして示す。従来の膜面垂直方向に電流を流す方式では、反磁界Ｈ_dは１００００Ｏｅ以上であるが、本実施例の面内電流方向では記録層の寸法比が２０であるので、反磁界は従来方式に比べて１００分の１程度に低減できる。つまり、従来のスピントルク磁化反転では磁化を膜面に垂直な方向に反転させるモードでスピントルクが働くため大きなエネルギーを要したが、本発明の方式では磁化を膜面内で回転させるモードでスピントルクが働くため膜面垂直方式ほどエネルギーを必要としない。これにより、本発明によると、図５に示すように閾値電流密度を従来法式の１００分の１程度に低減することが可能である。

［実施の形態２］
図６は、本発明による磁気メモリのメモリセルとスイッチング部の他の構成例を示す断面模式図である。本実施例は、図１に示したメモリセル１の構成において、第一の固定層３１３及び第二の固定層３１５の磁化方向を一方向に固定するための第一の反強磁性層３１６及び第二の反強磁性層３１７をそれぞれ積層したものに相当する。

本実施例では、第一の反強磁性層３１６及び第二の反強磁性層３１７に、ＰｔＭｎ（１２ｎｍ）を使った。ここで、反強磁性層としてＰｔＭｎの他にＦｅＭｎあるいはＩｒＭｎを用いてもよい。本実施例では、反強磁性層により固定層の磁区が一方向に制御されているため、自由層との磁化方向の相対角度の平行、反平行状態を安定に実現でき、TMR素子２で得られる読出し電気信号の出力の増大と安定したスピントルク磁化反転による書込みを実現できる。

図７は、自由層３１１に対する磁気的な情報の書き込み、読み出し方法の一例を示したものである。磁気的な情報の書込み、読出し方法は実施の形態１と同様である。TMR素子２の自由層３１１の磁化の方向を第一の固定層３１３の磁化の方向と平行にするときは、図７（ａ）のように、第二の固定層３１５から非磁性層３１４を通して自由層３１１に書き込み電流Ｉ_wを流す。逆に自由層３１１の磁化の方向を第一の固定層３１３の磁化の方向と反平行にするときは、図７（ｂ）のように、自由層３１１側から非磁性層３１４を通して第二の固定層３１５に書き込み電流Ｉ_wを流す。記録された情報を読み取るにはTMR素子２に読み出し電流Ｉ_Rを流す。

［実施の形態３］
図８は、本発明による磁気メモリのメモリセルとスイッチング部の他の構成例を示す断面模式図である。本実施例は、図１に示したメモリセル１の構成において、第一の固定層３１３が絶縁障壁層３１２を介してトランジスタ１１側に形成された構成の一例を示している。本実施例の磁気メモリは、磁気メモリ部の作製プロセスにおいて真空雰囲気を破ることなく成膜でき、高品質なTMR素子２を作製できることから、読出し電気信号の出力が増大できる。

図９は自由層３１１に対する磁気的な情報の書き込み、読み出し方法の一例を示したものである。磁気的な情報の書込み、読出し方法は実施の形態１と同様である。TMR素子２の自由層３１１の磁化の方向を第一の固定層３１３の磁化の方向と平行にするときは、図９（ａ）のように、第二の固定層３１５から非磁性層３１４を通して自由層３１１に書き込み電流Ｉ_wを流す。逆に自由層３１１の磁化の方向を第一の固定層３１３の磁化の方向と反平行にするときは、図９（ｂ）のように、自由層３１１側から非磁性層３１４を通して第二の固定層３１５に書き込み電流Ｉ_wを流す。記録された情報を読み取るにはTMR素子２に読み出し電流Ｉ_Rを流す。

［実施の形態４］
図１０は、本発明による磁気メモリのメモリセルとスイッチング部の他の構成例を示す断面模式図である。本実施例は、図８に示したメモリセル１の構成において、第一の固定層３１３及び第二の固定層３１５の磁化方向を一方向に固定するための第一の反強磁性層３１６及び第二の反強磁性層３１７をそれぞれ隣接積層させた構成の一例を示している。本実施例では、反強磁性層により固定層の磁区が一方向に制御されているため、自由層との磁化方向の相対角度の平行、反平行状態を安定に実現でき、TMR素子２で得られる読出し電気信号の出力の増大と安定したスピントルク磁化反転による書込みが実現できる。

図１１は、自由層３１１に対する磁気的な情報の書き込み、読み出し方法の一例を示したものである。磁気的な情報の書込み、読出し方法は実施の形態１と同様である。TMR素子２の自由層３１１の磁化の方向を第一の固定層３１３の磁化の方向と平行にするときは、図１１（ａ）のように、第二の固定層３１５から非磁性層３１４を通して自由層３１１に書き込み電流Ｉ_wを流す。逆に自由層３１１の磁化の方向を第一の固定層３１３の磁化の方向と反平行にするときは、図１１（ｂ）のように、自由層３１１側から非磁性層３１４を通して第二の固定層３１５に書き込み電流Ｉ_wを流す。記録された情報を読み取るにはTMR素子２に読み出し電流Ｉ_Rを流す。

図１２は、上記メモリセル１を配置した磁気ランダムアクセスメモリの一例である。書き込みワード線２１１とビット線２１２がメモリセル１に電気的に接続されている。前記実施例に記載した磁気メモリセルを配置することにより、磁気メモリを低消費電力で動作させることができた。

本発明による磁気メモリセルの一実施例を示す断面模式図。 情報の書き込み、読み出し方法の説明図。 本発明の磁気メモリセルの書込み電流Ｉ_wに対してTMR素子の抵抗を読み取った結果を示す図。 記録セルの寸法比に対して記録層の反磁界をプロットした図。 記録セルの寸法比に対して閾値電流密度をプロットした図。 本発明による磁気メモリセルの他の構成例を示す断面模式図。 情報の書き込み、読み出し方法の説明図。 本発明による磁気メモリセルの他の構成例を示す断面模式図。 情報の書き込み、読み出し方法の説明図。 本発明による磁気メモリセルの他の構成例を示す断面模式図。 情報の書き込み、読み出し方法の説明図。 本発明のメモリセルを配置した磁気ランダムアクセスメモリの一例を示した図。 磁気メモリセルの従来構造を示した図。

符号の説明

１…メモリセル、２…TMR素子、１１…C-MOSトランジスタ、１２，１３…ｎ型半導体、１４…ｐ型半導体、２１…ドレイン電極、２１１…書込みワード線、２１２…ビット線、２２…ソース電極、２３…ゲート電極、３１…自由層、３２…絶縁障壁層、３３…固定層、３１１…自由層、３１２…絶縁障壁層、３１３…第一の固定層、３１４…非磁性導電層、３１５…第二の固定層、３１６…第一の反強磁性層、３１７…第二の反強磁性層、４１〜４７…電極

Claims (8)

1. 自由層と、前記自由層の膜厚方向に形成された第一の固定層と、前記自由層と第一の固定層との間に形成された絶縁障壁層とを有する第一の素子部と、
   前記自由層と、前記自由層の膜面方向に形成された第二の固定層と、前記自由層と第二の固定層との間に形成された非磁性層とを有する第二の素子部と、
   前記第一の素子部の膜厚方向に電流Ｉ_Rを流す手段と、
   前記第二の素子部の膜面方向に電流Ｉ_wを流す手段とを備え、
   前記自由層の磁化が前記電流Ｉ_wにより磁化反転することで磁化情報が書き込まれ、前記自由層の磁化方向が電流Ｉ_Rにより検出されることを特徴とする磁気メモリ。
2. 請求項１記載の磁気メモリにおいて、前記第一の素子部を膜厚方向に挟んで形成された第一電極及び第二電極と、前記第二の固定層に電流を印加するための第三電極とを備え、
   前記第一電極−第二電極間にて電流Ｉ_Rが印加され、前記第三電極−第二電極間にて電流Ｉ_wが印加されることを特徴とする磁気メモリ。
3. 請求項２記載の磁気メモリにおいて、前記第一電極は前記第一の固定層側に接続され、前記第二電極は前記自由層側に接続されていることを特徴とする磁気メモリ。
4. 請求項２記載の磁気メモリにおいて、前記自由層と前記第二電極の間にスイッチング素子が形成されていることを特徴とする磁気メモリ。
5. 請求項１記載の磁気メモリにおいて、前記第一の固定層の磁化方向を交換結合により固定するための第一の反強磁性層、及び前記第二の固定層の磁化方向を交換結合により固定するための第二の反強磁性層が設けられていることを特徴とする磁気メモリ。
6. 請求項５記載の磁気メモリにおいて、前記電流Ｉ_wを流すための電極が前記第二の反強磁性層上に形成され、前記電流Ｉ_wは前記絶縁障壁層、前記第一の固定層及び前記第一の反強磁性層を通らずに流れることを特徴とする磁気メモリ。
7. 請求項１記載の磁気メモリにおいて、前記第二の固定層の磁気モーメントと体積の積が、前記自由層の磁気モーメントと体積の積よりも大きいことを特徴とする磁気メモリ。
8. 自由層と、前記自由層の膜厚方向に形成された第一の固定層と、前記自由層と第一の固定層との間に形成された絶縁障壁層とを有する第一の素子部と、
   前記自由層と、前記自由層の膜面方向に形成された第二の固定層と、前記自由層と第二の固定層との間に形成された非磁性層とを有する第二の素子部と、
   前記第二の素子部の膜面方向に電流Ｉ_wを流す手段とを備え、
   前記自由層の磁化が前記電流Ｉ_wにより磁化反転することで磁化情報が書き込まれることを特徴とする磁化情報書き込み装置。

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