JP2008147488A - Magnetoresistance effect element, and mram - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁気抵抗効果素子、及び磁気抵抗効果素子をメモリセルとして用いる磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM: Magnetic Random Access Memory)に関する。特に、本発明は、磁壁移動方式に基づくMRAM、及びそのMRAMで用いられる磁気抵抗効果素子に関する。 The present invention relates to a magnetoresistive effect element and a magnetic random access memory (MRAM) using the magnetoresistive effect element as a memory cell. In particular, the present invention relates to an MRAM based on a domain wall motion method and a magnetoresistive effect element used in the MRAM.
MRAMは、高集積・高速動作の観点から有望な不揮発性メモリである。MRAMにおいては、TMR(Tunnel MagnetoResistance)効果などの磁気抵抗効果を示す「磁気抵抗効果素子」が、メモリセルとして利用される。その磁気抵抗効果素子には、例えばトンネルバリヤ層が2層の強磁性体層で挟まれた磁気トンネル接合(MTJ: Magnetic Tunnel Junction)が形成される。その2層の強磁性体層は、磁化の向きが固定された磁化固定層(ピン層:pinned layer)と、磁化の向きが反転可能な磁化自由層(フリー層:free layer)から構成される。 MRAM is a promising nonvolatile memory from the viewpoint of high integration and high-speed operation. In the MRAM, a “magnetoresistance effect element” showing a magnetoresistance effect such as a TMR (Tunnel MagnetoResistance) effect is used as a memory cell. In the magnetoresistive effect element, for example, a magnetic tunnel junction (MTJ: Magnetic Tunnel Junction) in which a tunnel barrier layer is sandwiched between two ferromagnetic layers is formed. The two ferromagnetic layers are composed of a magnetization pinned layer (pinned layer) whose magnetization direction is fixed and a magnetization free layer (free layer) whose magnetization direction can be reversed. .
磁化固定層と磁化自由層の磁化の向きが“反平行”である場合のMTJの抵抗値(R+ΔR)は、磁気抵抗効果により、それらが“平行”である場合の抵抗値(R)よりも大きくなることが知られている。室温でのMR比(=ΔR/R)は、数10〜数100%になる。MRAMのメモリセルは、その抵抗値の変化を利用することによってデータを不揮発的に記憶する。データの読み出しは、MTJを貫通するように読み出し電流を流し、MTJの抵抗値を測定することにより行なわれる。一方、データの書き込みは、磁化自由層の磁化の向きを反転させることによって行われる。 The resistance value (R + ΔR) of the MTJ when the magnetization direction of the magnetization fixed layer and the magnetization free layer is “antiparallel” is larger than the resistance value (R) when they are “parallel” due to the magnetoresistance effect. It is known to grow. The MR ratio (= ΔR / R) at room temperature is several 10 to several 100%. The memory cell of the MRAM stores data in a nonvolatile manner by utilizing the change in resistance value. Data is read by passing a read current through the MTJ and measuring the resistance value of the MTJ. On the other hand, data is written by reversing the magnetization direction of the magnetization free layer.
代表的なデータ書き込み方式として、「電流磁界方式」が知られている。電流磁界方式によれば、磁気抵抗効果素子の近傍に配置された書き込み配線に書き込み電流が流される。そして、その書き込み電流により発生する書き込み磁界が磁化自由層に印加され、それにより磁化自由層の磁化の向きが変化させられる。この時、1mAの書き込み電流により発生する磁界は、数Oe〜十数Oe程度である。一方、熱擾乱(ディスターバンス)による記憶データの書き換えを防止するためには、磁化自由層の磁化反転に必要な反転磁界は、数十Oe程度に設計されることが望ましい。従って、1mA以下の書き込み電流でデータ書き込みを実現することは非常に難しい。この点において、電流磁界方式のMRAMは、他のRAMよりも不利である。更に、磁気抵抗効果素子のサイズにほぼ反比例して、磁化自由層の磁化反転に必要な反転磁界は大きくなる。つまり、メモリセルが微細化されるにつれて、書き込み電流が増加してしまうという問題点がある。 As a typical data writing method, a “current magnetic field method” is known. According to the current magnetic field method, a write current is caused to flow through the write wiring arranged in the vicinity of the magnetoresistive effect element. A write magnetic field generated by the write current is applied to the magnetization free layer, thereby changing the magnetization direction of the magnetization free layer. At this time, the magnetic field generated by the write current of 1 mA is about several Oe to several tens Oe. On the other hand, in order to prevent rewriting of stored data due to thermal disturbance (disturbance), it is desirable that the reversal magnetic field necessary for the magnetization reversal of the magnetization free layer is designed to be about several tens Oe. Therefore, it is very difficult to realize data writing with a write current of 1 mA or less. In this respect, the current magnetic field type MRAM is disadvantageous than other RAMs. Furthermore, the reversal magnetic field required for the magnetization reversal of the magnetization free layer becomes substantially inversely proportional to the size of the magnetoresistive effect element. That is, there is a problem that the write current increases as the memory cell is miniaturized.
特許文献1(特開2005−150303号公報)には、電流磁界方式のMRAMに関して、熱擾乱耐性を向上させ、且つ、反転磁界を低減することを目的とした技術が記載されている。当該従来技術に係る磁気抵抗効果素子は、第1の強磁性層/トンネルバリヤ層/第2の強磁性層の3層構造を含む強磁性トンネル接合を有する。第1の強磁性層は、第2の強磁性層よりも保磁力が大きい。更に、第2の強磁性層の端部の磁化が、第2の強磁性層の磁化容易軸方向と直交する成分を持つ方向に固着されている。 Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-150303) describes a technique for improving the resistance to thermal disturbance and reducing the reversal magnetic field in the current magnetic field type MRAM. The magnetoresistive effect element according to the prior art has a ferromagnetic tunnel junction including a three-layer structure of a first ferromagnetic layer / tunnel barrier layer / second ferromagnetic layer. The first ferromagnetic layer has a larger coercive force than the second ferromagnetic layer. Further, the magnetization of the end portion of the second ferromagnetic layer is fixed in a direction having a component orthogonal to the magnetization easy axis direction of the second ferromagnetic layer.
最近、電流磁界方式に代わるデータ書き込み方式として、スピン注入(spin transfer)を利用した「スピン注入方式」が提案されている(例えば、非特許文献1、特許文献2参照)。スピン注入方式によれば、磁化自由層にスピン偏極電流(spin-polarized current)が注入され、その電流を担う伝導電子のスピンと導体の磁気モーメントとの間の直接相互作用によって磁化が反転する。その磁化反転は電流密度が大きいほど起こりやすくなるため、メモリセルサイズが縮小されるにつれ、書き込み電流を低減させることが可能となる。
Recently, a “spin injection method” using spin transfer has been proposed as a data writing method instead of the current magnetic field method (see, for example, Non-Patent
非特許文献1(M. Hosomi et al.)に記載されたスピン注入方式によれば、MTJを貫通するように書き込み電流が流される。つまり、当該従来技術に係るスピン注入方式は、所謂CPP(Current Perpendicular to Plane)方式により実現されており、以下「垂直スピン注入方式」と参照される。垂直スピン注入方式では、磁化固定層と同じスピン状態を有するスピン偏極電子が、磁化固定層から磁化自由層へ供給される、あるいは、磁化自由層から磁化固定層に引き抜かれる。その結果、スピントランスファー効果により、磁化自由層の磁化が反転する。このように、MTJを貫通する書き込み電流の方向により、磁化自由層の磁化方向を規定することができる。更に、メモリセルの微細化に伴い、書き込み電流を小さくすることも可能である。 According to the spin injection method described in Non-Patent Document 1 (M. Hosomi et al.), A write current is passed through the MTJ. That is, the spin injection method according to the related art is realized by a so-called CPP (Current Perpendicular to Plane) method, and is hereinafter referred to as a “vertical spin injection method”. In the vertical spin injection method, spin-polarized electrons having the same spin state as the magnetization fixed layer are supplied from the magnetization fixed layer to the magnetization free layer, or are extracted from the magnetization free layer to the magnetization fixed layer. As a result, the magnetization of the magnetization free layer is reversed by the spin transfer effect. Thus, the magnetization direction of the magnetization free layer can be defined by the direction of the write current passing through the MTJ. Further, the write current can be reduced with the miniaturization of the memory cell.
但し、垂直スピン注入方式では、読み出し電流より大きい書き込み電流がMTJを貫通するため、次のような問題が生ずると考えられる。MTJのトンネルバリヤ層としては一般的には絶縁膜が用いられ、その絶縁膜の耐圧の限界から書き込み電流の上限値が決まってしまう。このことは、書き込みの観点から好ましくない。一方で、その上限値を増加させるためにトンネルバリヤ層の抵抗値を低くすると、読み出し信号が小さくなってしまう。このことは、読み出しの観点から好ましくない。すなわち、書き込みは、磁化反転が起こる電流以上、読み出しの制約を満たす絶縁膜の耐圧以下というマージン内で行わなければならず、これは大容量化には不利である。更に、書き込み動作のたびに絶縁膜に書き込み電流を流すことは、素子の耐久性の観点からも好ましくない。 However, in the vertical spin injection method, since a write current larger than the read current penetrates the MTJ, it is considered that the following problem occurs. An insulating film is generally used as the MTJ tunnel barrier layer, and the upper limit value of the write current is determined from the limit of the withstand voltage of the insulating film. This is not preferable from the viewpoint of writing. On the other hand, if the resistance value of the tunnel barrier layer is lowered in order to increase the upper limit value, the read signal becomes small. This is not preferable from the viewpoint of reading. That is, writing must be performed within a margin that is greater than the current at which magnetization reversal occurs and less than the withstand voltage of the insulating film that satisfies the read constraint, which is disadvantageous for increasing the capacity. Furthermore, it is not preferable from the viewpoint of the durability of the device to cause a write current to flow through the insulating film every time a write operation is performed.
一方、特許文献2(特開2005−191032号公報)に記載されたスピン注入方式によれば、書き込み電流はMTJを貫通せず、磁化自由層内で平面的に流される。このようなスピン注入方式は、以下「水平スピン注入方式」と参照される。より詳細には、当該従来技術に係る磁化自由層は、トンネルバリヤ層と重なる接合部、接合部の両端に隣接するくびれ部、及びくびれ部に隣接形成された一対の磁化固定部を有する。一対の磁化固定部には、互いに反対向きの固定磁化が付与されている。その結果、磁化自由層は、上記接合部内に磁壁(Domain Wall)を有することになる。 On the other hand, according to the spin injection method described in Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-191032), the write current does not penetrate the MTJ and flows in a plane in the magnetization free layer. Such a spin injection method is hereinafter referred to as a “horizontal spin injection method”. More specifically, the magnetization free layer according to the related art has a junction overlapping the tunnel barrier layer, a constriction adjacent to both ends of the junction, and a pair of magnetization fixed portions formed adjacent to the constriction. The pair of magnetization fixed portions are provided with fixed magnetizations in opposite directions. As a result, the magnetization free layer has a domain wall in the junction.
このように構成された磁化自由層内で、書き込み電流が平面的に流される。この時、一対の磁化固定部は、異なるスピン偏極電子の供給源としての役割を果たす。書き込み電流の方向は書き込みデータに応じて制御され、その方向に応じて、いずれかの磁化固定部から接合部にスピン偏極電子が供給される。その結果、スピントランスファー効果により、磁化自由層の磁化が反転する。この磁化反転は、上述の磁壁の位置の変化を意味する。すなわち、書き込み電流の方向に応じて、磁壁が一対のくびれ部間を移動する。その意味で、特許文献2に記載されたような水平スピン注入方式を、「磁壁移動方式」と呼ぶこともできる。
A write current flows in a plane in the magnetization free layer configured as described above. At this time, the pair of magnetization fixed portions serves as a supply source of different spin-polarized electrons. The direction of the write current is controlled according to the write data, and spin-polarized electrons are supplied from one of the magnetization fixed portions to the junction according to the direction. As a result, the magnetization of the magnetization free layer is reversed by the spin transfer effect. This magnetization reversal means the change of the position of the above-mentioned domain wall. That is, the domain wall moves between the pair of constricted portions according to the direction of the write current. In that sense, the horizontal spin injection method described in
このような電流駆動磁壁移動(Current-Driven Domain Wall Motion)は、強磁性体細線中で実際に観測されている(非特許文献2参照)。磁壁を有する幅数十ナノメートル〜数マイクロメートルの磁性細線に磁壁を横切るような電流が流れたとき、伝導電子の持つスピン磁気モーメントによって磁壁が動かされる。磁壁移動に必要な電流値も、素子の微細化に伴い小さくなる。従って、磁壁移動を利用した水平スピン注入方式(磁壁移動方式)は、大容量・低電流動作MRAMを実現するために非常に重要な技術である。 Such current-driven domain wall motion is actually observed in a ferromagnetic thin wire (see Non-Patent Document 2). When a current that crosses the domain wall flows through a magnetic wire having a domain wall with a width of several tens of nanometers to several micrometers, the domain wall is moved by the spin magnetic moment of the conduction electrons. The current value required for the domain wall movement also decreases with the miniaturization of the element. Therefore, the horizontal spin injection method (domain wall motion method) using domain wall motion is a very important technique for realizing a large capacity and low current operation MRAM.
本願発明者は、次の点に着目した。特許文献2に記載された技術によれば、磁化自由層は、磁化方向が可変な接合部の両側に一対の磁化固定部を有している。それら一対の磁化固定部は、異なるスピン偏極電子の導入源であり、互いに反対向きの固定磁化が付与されている。そして、それら接合部と一対の磁化固定部は、同一の磁性層内に直線状に配置されている。同一の磁性層内に、磁化方向が可変な領域に加えて一対の磁化固定部を設けることは、次のような問題点を生じさせる。
The inventor of the present application paid attention to the following points. According to the technique described in
まず、同一の磁性層内において、一対の磁化固定部の磁化を、互いに反対向きに固定する必要がある。このことは、複雑な製造プロセスを必要としてしまう。また、磁化方向が可変な領域と磁化方向が固定された領域とでは、求められる磁気特性も異なってくる。しかしながら、それら領域が同一の磁性層内に存在する場合、領域ごとに磁気特性を調整することが困難である。すなわち、設計の自由度が悪い。更に、磁化固定部の固定磁化を安定的に維持するためには、磁化固定部をある程度大きく設計する必要がある。このことは、メモリセルの面積の増大を招く。 First, in the same magnetic layer, it is necessary to fix the magnetizations of the pair of magnetization fixed portions in opposite directions. This requires a complicated manufacturing process. Further, the required magnetic characteristics are different between a region in which the magnetization direction is variable and a region in which the magnetization direction is fixed. However, when these regions exist in the same magnetic layer, it is difficult to adjust the magnetic characteristics for each region. That is, the degree of freedom in design is poor. Furthermore, in order to stably maintain the fixed magnetization of the magnetization fixed part, it is necessary to design the magnetization fixed part to be somewhat large. This leads to an increase in the area of the memory cell.
本発明の目的は、磁壁移動方式に基づく新たな磁気抵抗効果素子及びMRAMを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a new magnetoresistive element and MRAM based on a domain wall motion method.
本発明の他の目的は、磁気抵抗効果素子の設計の自由度を向上させることができる技術を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a technique capable of improving the degree of freedom in designing a magnetoresistive effect element.
本発明の更に他の目的は、磁気抵抗効果素子の面積を縮小し、大容量MRAMを実現することができる技術を提供することにある。 Still another object of the present invention is to provide a technique capable of reducing the area of a magnetoresistive effect element and realizing a large-capacity MRAM.
本発明の更に他の目的は、磁化固定層の磁化の向きを容易に固定することができる磁気抵抗効果素子及びMRAMを提供することにある。 Still another object of the present invention is to provide a magnetoresistive effect element and an MRAM that can easily fix the magnetization direction of a magnetization fixed layer.
以下に、[発明を実施するための最良の形態]で使用される番号・符号を用いて、[課題を解決するための手段]を説明する。これらの番号・符号は、[特許請求の範囲]の記載と[発明を実施するための最良の形態]との対応関係を明らかにするために括弧付きで付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、[特許請求の範囲]に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。 [Means for Solving the Problems] will be described below using the numbers and symbols used in [Best Mode for Carrying Out the Invention]. These numbers and symbols are added in parentheses in order to clarify the correspondence between the description of [Claims] and [Best Mode for Carrying Out the Invention]. However, these numbers and symbols should not be used for the interpretation of the technical scope of the invention described in [Claims].
本発明の第1の観点において、磁壁移動方式に基づく磁気抵抗効果素子が提供される。その磁気抵抗効果素子は、磁化の向きが固定された少なくとも2つの第1磁化固定層(1a,1b)と、第1平面(XY)上に形成され磁化の向きが可変な磁化自由層(2)と、非磁性層(3)を介して磁化自由層(2)に接続された第2磁化固定層(4)とを備える。2つの第1磁化固定層(1a,1b)は、磁化自由層(2)を挟んで第2磁化固定層(4)と対向するように配置され、また、磁化自由層(2)と磁気的に結合している。2つの第1磁化固定層(1a,1b)の磁化は共に、第1平面(XY)に直角な第1方向(Z)の成分を有する。データ書き込み時、書き込み電流が、第1平面(XY)内において、磁化自由層(2)の一端から他端に流される。 In a first aspect of the present invention, a magnetoresistive effect element based on a domain wall motion system is provided. The magnetoresistive element includes at least two first magnetization fixed layers (1a, 1b) whose magnetization directions are fixed, and a magnetization free layer (2) formed on the first plane (XY) and having a variable magnetization direction. ) And a second magnetization fixed layer (4) connected to the magnetization free layer (2) through the nonmagnetic layer (3). The two first magnetization fixed layers (1a, 1b) are arranged so as to face the second magnetization fixed layer (4) with the magnetization free layer (2) interposed therebetween, and are magnetically coupled to the magnetization free layer (2). Is bound to. The magnetizations of the two first magnetization fixed layers (1a, 1b) both have a component in the first direction (Z) perpendicular to the first plane (XY). At the time of data writing, a write current flows from one end of the magnetization free layer (2) to the other end in the first plane (XY).
本発明の第2の観点において、磁壁移動方式に基づくMRAM(100)が提供される。そのMRAM(100)は、アレイ状に配置された複数の磁気メモリセル(110)を具備する。複数の磁気メモリセル(110)の各々は、上記磁気抵抗効果素子と、データ書き込み時、書き込み電流を磁化自由層(2)に供給するためのトランジスタ(10a,10b)とを備える。 In a second aspect of the present invention, an MRAM (100) based on a domain wall motion method is provided. The MRAM (100) includes a plurality of magnetic memory cells (110) arranged in an array. Each of the plurality of magnetic memory cells (110) includes the magnetoresistive effect element and transistors (10a, 10b) for supplying a write current to the magnetization free layer (2) when data is written.
本発明によれば、第1磁化固定層と磁化自由層は、同一平面上に形成されておらず、立体的に配置されている。その結果、磁気抵抗効果素子の設計の自由度が向上する。また、磁気抵抗効果素子の面積が縮小される。更に、第1磁化固定層の磁化の向きを容易に固定することが可能となる。 According to the present invention, the first magnetization fixed layer and the magnetization free layer are not formed on the same plane but are arranged three-dimensionally. As a result, the degree of freedom in designing the magnetoresistive element is improved. In addition, the area of the magnetoresistive effect element is reduced. Furthermore, the magnetization direction of the first magnetization fixed layer can be easily fixed.
添付図面を参照して、本発明の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子及びMRAMを説明する。 A magnetoresistive effect element and an MRAM according to an exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
1.第1の実施の形態
1−1.基本構造
図1A及び図1Bは、第1の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の構造を概略的に示す側面図及び平面図である。磁気抵抗効果素子は、第1磁化固定層1a、1b、磁化自由層2、トンネルバリヤ層3、及び第2磁化固定層4を備えている。磁化自由層2、トンネルバリヤ層3、及び第2磁化固定層4は、順番に積層されている。図1A及び図1Bにおいて、その積層方向が「Z方向」として定義されている。つまり、各層の主面に直角な方向がZ方向である。各層は、Z方向に直角なXY面上に形成されている。
1. 1. First embodiment 1-1. Basic Structure FIGS. 1A and 1B are a side view and a plan view schematically showing the structure of the magnetoresistive effect element according to the first embodiment. The magnetoresistive effect element includes first magnetization fixed
磁化自由層(フリー層)2は、強磁性層を含んでおり、その磁化の向きは可変である。図1Bに示されるように、磁化自由層2はXY面上に形成されており、その長手方向はX方向である。つまり、磁化自由層2の磁化容易軸はX方向に一致しており、磁化自由層2の磁化は+X方向あるいは−X方向になることが許される。
The magnetization free layer (free layer) 2 includes a ferromagnetic layer, and its magnetization direction is variable. As shown in FIG. 1B, the magnetization
トンネルバリヤ層3は、非磁性層である。例えば、トンネルバリヤ層3は、絶縁膜で形成されている。このトンネルバリヤ層3は、磁化自由層2と第2磁化固定層4に挟まれている。図1Bにおいて、トンネルバリヤ層3は、磁化自由層2と同じ幅を有しているが、第2磁化固定層4と同じ幅を有していてもよい。あるいは、トンネルバリヤ層3の幅は、第2磁化固定層4と同じ幅から磁化自由層2と同じ幅に途中で変化していてもよい。
The
第2磁化固定層(ピン層)4は、トンネルバリヤ層3に接触する強磁性層を含んでおり、その磁化の向きは、図示されない反強磁性層等によって面内の一方向に固定されている。例えば図1Aにおいて、トンネルバリヤ層3に接触する第2磁化固定層4の磁化の向きは、+X方向に固定されている。尚、第2磁化固定層4は、複数の強磁性層が非磁性層を介して磁気的に結合した積層構造を有していてもよい。その場合、例えば、隣接する強磁性層同士は非磁性層を介して反強磁性的に結合している。これにより、第2磁化固定層4からの漏れ磁界が低減され、また、固定磁化もより強固となる。
The second magnetization fixed layer (pinned layer) 4 includes a ferromagnetic layer in contact with the
このように、磁化自由層2及び第2磁化固定層4は、トンネルバリヤ層3を介して接続されている。それら磁化自由層2、トンネルバリヤ層3、及び第2磁化固定層4によって、MTJが形成されている。
Thus, the magnetization
更に、本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子は、MTJを構成する第2磁化固定層4とは別に、第1磁化固定層1a、1bを備えている。第1磁化固定層1a、1bは、磁化自由層2を挟んで、第2磁化固定層4と対向するように配置されている。より詳細には、図1Bに示されるように、第1磁化固定層1aは磁化自由層2の一端の側に配置されており、第1磁化固定層1bは磁化自由層2の他端の側に配置されている。特に、本実施の形態によれば、図1Aに示されるように、第1磁化固定層1aは磁化自由層2の一端に接続されており、第1磁化固定層1bは磁化自由層2の他端に接続されている。第1磁化固定層1a、1bの長手方向(磁化容易軸)は、XY面に直角なZ方向であり、それらはZ方向に形状磁気異方性を有している。
Further, the magnetoresistive effect element according to the present embodiment includes first magnetization fixed
第1磁化固定層1a、1bは強磁性層であり、磁化自由層2と磁気的に結合している。第1磁化固定層1a、1bの磁化の向きは、一方向に固定されている。具体的には、第1磁化固定層1a、1bは、その固定磁化が少なくともZ方向の成分を有するように形成される。例えば、図1Aに示されるように、第1磁化固定層1a、1bの磁化の向きは、同じ+Z方向に固定されている。あるいは、第1磁化固定層1a、1bの磁化の向きは、同じ−Z方向に固定されていてもよい。つまり、第1磁化固定層1a、1bの磁化は、共に、磁化自由層2に向かう方向、あるいは、磁化自由層2から離れる方向に固定されている。磁化の固定は、形状磁気異方性や結晶磁気異方性、ピニング層の配置などにより実現される。これら第1磁化固定層1a、1bの固定磁化は、磁化自由層2の端部周辺の磁化に対して磁気的に影響を及ぼす。
The first magnetization fixed
1−2.動作原理
図2は、本実施の形態に係る磁化自由層2が取り得る2種類の磁化状態を示している。磁化自由層2の磁化の向きが−X方向である場合、つまり、その向きが第2磁化固定層4の磁化の向き(+X方向)と反平行である場合、MTJの抵抗値は比較的大きい。この反平行状態が、例えばデータ“1”に対応付けられている。一方、磁化自由層2の磁化の向きが+X方向である場合、つまり、その向きが第2磁化固定層4の磁化の向き(+X方向)と平行である場合、MTJの抵抗値は比較的小さい。この平行状態が、例えばデータ“0”に対応付けられている。
1-2. Principle of Operation FIG. 2 shows two types of magnetization states that the magnetization
データ“1”の場合、磁化自由層2の磁化(−X方向)は、第1磁化固定層1bから連続的につながる。他方の第1磁化固定層1aの磁化が磁化自由層2へ向かう方向に固定されているため、図2に示されるように、磁壁DWが、第1磁化固定層1a近傍の磁化自由層2中に存在することになる。一方、データ“0”の場合、磁化自由層2の磁化(+X方向)は、第1磁化固定層1aから連続的につながる。他方の第1磁化固定層1bの磁化が磁化自由層2へ向かう方向に固定されているため、図2に示されるように、磁壁DWが、第1磁化固定層1b近傍の磁化自由層2中に存在することになる。このように、第1磁化固定層1a、1bが設けられることにより、磁化自由層2内に磁壁DWが導入される。そして、その磁壁DWの位置によって、データ“1”と“0”が区別され得る。尚、それら2つの状態は、エネルギー的には等価である。
In the case of data “1”, the magnetization (−X direction) of the magnetization
図3は、第1磁化固定層1aと磁化自由層2との接続領域近傍の磁気モーメントの分布を示している。上述の通り、磁壁DWが、第1磁化固定層1a近傍の磁化自由層2中に存在している。尚、Head−to−Head型の磁壁DWが例として示されているが、磁壁DWはTail−to−Tail型であってもよい。また、磁壁DW中の磁気モーメントがZ軸成分を有するTransverse型が示されているが、磁壁DW中の磁気モーメントはY軸成分を有していてもよい。あるいは、Transverse型の磁壁ではなく、Voltex型の磁壁が形成されていてもよい。
FIG. 3 shows a magnetic moment distribution in the vicinity of the connection region between the first magnetization fixed
図3に示されるように、第1磁化固定層1aの磁化は、磁化自由層2の端部の磁化に影響を及ぼしており、磁化自由層2の端部の磁化は、概ね+Z方向を向いている。この時、第1磁化固定層1aの固定磁化により生成されるダイポール磁場BTは、図3の破線で表されるように分布している。従って、第1磁化固定層1aの端部の磁化MAや、その直上の磁化自由層2の磁化MBは、+X方向の成分を有することになる。逆に、磁化自由層2の最端部の磁化MCは、−X方向の成分を有することになる。これら磁化MA、MB、MCの方向は、第1磁化固定層1aと磁化自由層2の形状、大小関係、位置関係等によっても影響されるが、基本的な傾向は同じである。
As shown in FIG. 3, the magnetization of the first magnetization fixed
このように、第1磁化固定層1aの磁化が、磁化自由層2の一端の磁化に対して少なくとも+X方向の磁気力を与える結果、+X方向の成分を有する磁化MA、MBが発生する。後述されるように、これら磁化MA、MBが、+X方向の磁気モーメントを有する電子(+X方向スピン偏極電子)の供給において重要な役割を果たす。他方の第1磁化固定層1bに関しても、同様の議論が適用され得る。第1磁化固定層1bの磁化が、磁化自由層2の他端の磁化に対して少なくとも−X方向の磁気力を与える結果、−X方向の成分を有する磁化が発生する。後述されるように、そのような磁化が、−X方向の磁気モーメントを有する電子(−X方向スピン偏極電子)の供給において重要な役割を果たす。
As described above, the magnetization of the first magnetization fixed
データの書き込みは、「水平スピン注入方式」により行なわれる。すなわち、書き込み電流は、MTJを貫通せず、磁化自由層2内で平面的に流される。具体的には、磁化自由層2の一端から他端に流される。
Data is written by the “horizontal spin injection method”. That is, the write current does not pass through the MTJ and flows in a plane in the magnetization
例えば、データ“1”が“0”に書き換えられる場合、書き込み電流は、第1磁化固定層1bから磁化自由層2を通って第1磁化固定層1aに流される。この場合、図2に示されるように、電子は、第1磁化固定層1aから磁化自由層2を通って第1磁化固定層1bに流れる。この時、図3で示された磁化MA、MBにより、電子の+X方向へのスピン偏極は大きくなる。つまり、磁化MA、MBにより、+X方向スピン偏極電子が効率的に生成される。その+X方向スピン偏極電子が磁化自由層2に流れ込むため、スピントランスファー効果により、磁化自由層2の磁化が+X方向に反転する。尚、図3で示されたように、磁化自由層2の最端部には、−X方向の成分を有する磁化MCが存在する。しかしながら、磁化MCの領域には書き込み電流は流れにくいため、磁化MCの影響はほとんど現れない。
For example, when the data “1” is rewritten to “0”, the write current flows from the first magnetization fixed
一方、データ“0”が“1”に書き換えられる場合、書き込み電流は、第1磁化固定層1aから磁化自由層2を通って第1磁化固定層1bに流される。従って、図2に示されるように、電子は、第1磁化固定層1bから磁化自由層2を通って第1磁化固定層1aに流れる。この場合も同様に、第1磁化固定層1bの端部近傍の磁化により、−X方向スピン偏極電子が効率的に生成される。その−X方向スピン偏極電子が磁化自由層2に流れ込むため、スピントランスファー効果により、磁化自由層2の磁化が−X方向に反転する。このように、磁化自由層2中を流れる書き込み電流の方向を制御することにより、データ書き込みを実現することが可能である。
On the other hand, when the data “0” is rewritten to “1”, the write current flows from the first magnetization fixed
データ書き込みは、磁壁移動の観点から述べることもできる。データ“1”から“0”への書き換え時、+X方向スピン偏極電子が、磁壁DWに対して+X方向のスピントルクを与える。その結果、磁壁DWは、第1磁化固定層1a側から+X方向に移動する。その磁壁移動は、他方の第1磁化固定層1bによる+Z方向の磁化によって止められる。一方、データ“0”から“1”への書き換え時、−X方向スピン偏極電子が、磁壁DWに対して−X方向のスピントルクを与える。その結果、磁壁DWは、第1磁化固定層1b側から−X方向に移動する。その磁壁移動は、他方の第1磁化固定層1aによる+Z方向の磁化によって止められる(図3参照)。本実施の形態において、データ書き込みは、「磁壁移動方式」によって実現されていると言える。
Data writing can also be described from the viewpoint of domain wall motion. When the data “1” is rewritten from “0”, the + X direction spin-polarized electrons give the + X direction spin torque to the domain wall DW. As a result, the domain wall DW moves in the + X direction from the first magnetization fixed
磁壁移動の特性は、第1磁化固定層1a、1bと磁化自由層2の材質や形状によって決定される。後述されるように、第1磁化固定層1a、1bと磁化自由層2に関して、材料の磁気特性、形状、大小関係、位置関係を適切に調整することによって、磁壁移動の特性を向上させることができる。
The characteristics of domain wall motion are determined by the materials and shapes of the first magnetization fixed
データの読み出しは、MTJの抵抗値を検出することによって行なわれる。具体的には、MTJを貫通するように、読み出し電流が磁化自由層2と第2磁化固定層4との間に流される。その読み出し電流に基づいてMTJの抵抗値が検出され、データ“1”あるいは“0”がセンスされる。
Data is read by detecting the resistance value of the MTJ. Specifically, a read current is passed between the magnetization
1−3.様々な平面形状
図4は、第1磁化固定層1(1a、1b)の様々なXY平面形状(切断面)を示している。第1磁化固定層1の平面形状としては、円、楕円、四角形、多角形などが挙げられる。その平面形状の種類により、磁化自由層2に形成される磁壁のタイプや位置をコントロールすることができる。
1-3. Various Planar Shapes FIG. 4 shows various XY planar shapes (cut planes) of the first magnetization fixed layer 1 (1a, 1b). Examples of the planar shape of the first magnetization fixed
図5Aは、磁化自由層2の様々なXY平面形状を示している。磁化自由層2の平面形状のアスペクト比(長軸/短軸)は1より大きい。その平面形状としては、楕円、長方形、多角形などが挙げられる。
FIG. 5A shows various XY plane shapes of the magnetization
図5B及び図5Cは、磁化自由層2の様々な変形例を示している。いずれの変形例においても、磁化自由層2は、中央部に対して一端側に位置する第1領域B1と、中央部に対して他端側に位置する第2領域B2とを含んでいる。第1領域B1及び第2領域B2の断面積は、中央部の断面積と異なっている。エネルギーの観点から言えば、磁壁DWは、その面積が小さいほど安定となる。図5Bに示された例では、中央部が、第1領域B1及び第2領域B2よりも太くなっている。この場合、磁壁DWが中央部付近で停止することが防止される。図5Cに示された例では、第1領域B1と第2領域B2の側部に凹部または凸部が形成されている。凹部の場合、第1領域B1と第2領域B2の断面積は、中央部の断面積よりも小さい。結果として、データ書き込み時、磁壁DWは、第1領域B1あるいは第2領域B2で止まりやすくなる。凸部の場合、第1領域B1と第2領域B2の断面積は、中央部の断面積よりも大きい。結果として、データ書き込み時、磁壁DWは、第1領域B1あるいは第2領域B2の手前で止まりやすくなる。このように、磁化自由層2に第1領域B1と第2領域B2を設けることによって、動作特性が向上する。
5B and 5C show various modifications of the magnetization
1−4.様々な平面位置関係
図6A〜図6Cは、第1磁化固定層1(1a,1b)と磁化自由層2との様々な位置関係を示している。その位置関係は、Z方向から見た場合の平面位置関係である。
1-4. Various Planar Positional Relationships FIGS. 6A to 6C show various positional relationships between the first magnetization fixed layer 1 (1a, 1b) and the magnetization
図6Aに示されるように、2つの第1磁化固定層1は、磁化自由層2の両端に設けられている。2つの第1磁化固定層1は、その両端の少し内側に位置していてもよいし、その両端の少し外側に位置していてもよい。特に、2つの第1磁化固定層1が、両端から少し外側に位置していると好適である。より詳細には、一方の第1磁化固定層1aの平面形状が、磁化自由層2の平面形状から−X方向にはみ出しており、他方の第1磁化固定層1bの平面形状が、磁化自由層2の平面形状から+X方向にはみ出している。その結果、図6Aに示されるように、はみ出し部Pbが現れる。この場合、図3で示された−X方向の成分を有する磁化MCが少なくなり、好適である。同時に、+X方向の成分を有する磁化MBの寄与が相対的に多くなり、好適である。すなわち、+X方向スピン偏極電子の供給効率を増加させ、また、磁壁DWを適切な位置に安定的に止めることが可能となる。
As shown in FIG. 6A, the two first magnetization fixed
また、図6Bに示されるように、第1磁化固定層1のY方向の幅は、磁化自由層2のY方向の幅より大きくても小さくても構わない。但し、上述のはみ出し部Pbの観点から言えば、第1磁化固定層1のY方向の幅が、磁化自由層2のY方向の幅より大きいことが好適である。また、図6Cに示されるように、3つ以上の第1磁化固定層1が設けられてもよい。その場合、磁化自由層2の1つの端部近傍には、少なくとも1つの第1磁化固定層1が設けられる。図6Cに示された例の場合、4つの第1磁化固定層1が、磁化自由層2の四隅のそれぞれにはみ出し部Pbが現れるように設けられており、好適である。
As shown in FIG. 6B, the width of the first magnetization fixed
1−5.様々な側面形状
図7A〜図7Dは、本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の様々な側面形状を示している。図7Aに示された例では、磁化自由層2及びトンネル絶縁層3は、第1磁化固定層1に近づくにつれて拡がるテーパー構造を有している。つまり、磁化自由層2及びトンネル絶縁層3の側面STが、テーパー状に加工されている。テーパー加工は、エッチング条件やミリング条件を制御することにより行われる。既出の図3を参照すると、磁化自由層2の側面STがテーパー状となっている場合、磁化自由層2の端部の磁化が+X方向に向きやすくなることがわかる。つまり、テーパー構造により、磁化自由層2内の+X方向の磁化成分が増加する。これにより、+X方向スピン偏極電子の供給効率が増加するため、磁壁移動に要する書き込み電流を低減することが可能となる。
1-5. Various Side Shapes FIGS. 7A to 7D show various side shapes of the magnetoresistive effect element according to the present embodiment. In the example shown in FIG. 7A, the magnetization
図7B及び図7Cに示された例では、第1磁化固定層1a、1bは、磁化自由層2に近づくにつれて拡がるテーパー構造を有している。つまり、第1磁化固定層1a、1bの側面STが、テーパー状に加工されている。この場合、第1磁化固定層1及び磁化自由層2内の+X方向の磁化成分が増加する。これにより、+X方向スピン偏極電子の供給効率が増加するため、磁壁移動に要する書き込み電流を低減することが可能となる。
In the example shown in FIGS. 7B and 7C, the first magnetization fixed
更に、図7Dに示された例では、第1磁化固定層1a、1bの長手方向が、XY面に対して斜めである。つまり、第1磁化固定層1a、1bの磁化容易軸がZ軸からずれている。第1磁化固定層1aの固定磁化は+X方向の成分を有しており、第1磁化固定層1bの固定磁化は−X方向の成分を有している。その結果、磁壁移動に適したスピン偏極電子の供給効率が著しく増加し、好適である。
Furthermore, in the example shown in FIG. 7D, the longitudinal direction of the first magnetization fixed
1−6.材料
第1磁化固定層1、磁化自由層2及び第2磁化固定層4の材料として、例えば、Fe(鉄)、Co(コバルト)、Ni(ニッケル)、またはそれらを主成分とする合金を用いることができる。特に、Fe−Ni、Fe−Co−Ni、Fe−Coが望ましい。また、これら磁性体に非磁性元素を添加することにより、磁気特性、結晶性、機械的特性、化学的特性などの特性を調整してもよい。添加される非磁性元素としては、Ag(銀)、Cu(銅)、Au(金)、B(ボロン)、C(炭素)、N(窒素)、O(酸素)、Mg(マグネシウム)、Al(アルミニウム)、Si(シリコン)、P(リン)、Ti(チタン)、Cr(クロム)、Zr(ジルコニウム)、Nb(ニオブ)、Mo(モリブテン)、Hf(ハフニウム)、Ta(タンタル)、W(タングステン)、Pd(パラジウム)、Pt(白金)などが挙げられる。その場合、Ni−Fe−Zr、Co−Fe−Bなどの材料が例示される。
1-6. Material As the material of the first magnetization fixed
磁化自由層2は、磁壁が移動する層であり、スムーズな磁壁移動を実現できる結晶構造を有することが好適である。格子欠陥や粒界等は、スムーズな磁壁移動を妨げるピニングサイトとなる。従って、磁化自由層2は、アモルファス構造や単結晶構造といった、ピンニングサイトを多く含まない構造を有することが望ましい。アモルファス構造は、磁性材料にP、Si、B、Cなどを添加したり、窒素雰囲気中で成膜を行ったり、成膜レートをコントロールしたり、あるいは基板を冷却して成膜したりするなどして実現できる。また、基板を加熱して成膜したり、結晶成長のためのシード層を適切に選択したりすることによって、単結晶性を高めることも可能である。また、垂直方向の磁気異方性をコントロールすることによって、磁壁DW中の磁気モーメントのZ方向への向きやすさを調整することもできる。
The magnetization
第2磁化固定層4に関しては、磁化反転を防止するために、保持力の大きな材料が用いられることが望ましい。また、読み出し動作時に広い動作マージン、高い信号雑音比(SN比)を得るためには、高いMR比が得られる磁性材料を選択することが望ましい。具体的には、第2磁化固定層4の材料として、Fe、Co、Ni、またはそれらからなる合金が選択されるとよい。そのような磁性材料に4d、5d遷移金属元素や希土類元素などを添加することにより、その磁気特性を調整することができる。
For the second magnetization fixed
第1磁化固定層1に関しては、磁化反転が起こりにくく、また、磁壁が移動しにくいことが望ましい。よって、第1磁化固定層1の材料として、保持力の大きな材料が用いられることが望ましい。また、第1磁化固定層1は、格子欠陥や粒界を多く含む構造を有することが望ましい。更に、低電流で磁壁DWを移動させるためには、書き込み時の伝導電子のスピン偏極率が高いことが望ましい。そのためには、第1磁化固定層1、磁化自由層2の材料はスピン分極率の高い材料であることが望ましい。
Regarding the first magnetization fixed
トンネルバリヤ層3の材料として、Al2O3(酸化アルミニウム)、SiO2(酸化シリコン)、MgO(酸化マグネシウム)、AlN(窒化アルミニウム)などの絶縁体を用いることができる。また、トンネルバリヤ層3の材料として、Cu、Cr、Al、Zn(亜鉛)などの非磁性金属を用いることもできる。
As a material of the
1−7.回路構成
図8は、上述の磁気抵抗効果素子を用いた磁気メモリセルの一例を示す回路図である。図8において、書き込み電流を供給するための選択トランジスタ10a、10bが、第1磁化固定層1a、1bに接続されている。具体的には、選択トランジスタ10aのソース/ドレインの一方は、第1磁化固定層1aに接続され、その他方は、第1ビット線11aに接続されている。同様に、選択トランジスタ10bのソース/ドレインの一方は、第1磁化固定層1bに接続され、その他方は、第2ビット線11bに接続されている。選択トランジスタ10a、10bのゲートは、ワード線12に接続されている。更に、第2磁化固定層4は、アース線13に接続されている。
1-7. Circuit Configuration FIG. 8 is a circuit diagram showing an example of a magnetic memory cell using the magnetoresistive element described above. In FIG. 8,
データ書き込み時、ワード線12がONされ、アース線13がOFFされ、ビット線11a、11b間に所定の電位差が与えられる。その結果、書き込み電流は、例えば「第1ビット線11a−選択トランジスタ10a−第1磁化固定層1a−磁化自由層2−第1磁化固定層1b−選択トランジスタ10b−第2ビット線11b」の経路を流れる。逆の電流経路も可能である。これにより、既出の実施の形態で示されたデータ書き込みが実現される。
When writing data, the
データ読み出し時、ワード線12がONされ、アース線13がONされ、ビット線11a、11bが等電位に設定される。その結果、読み出し電流は、「ビット線11a、11b−選択トランジスタ10a、10b−第1磁化固定層1a、1b−磁化自由層2−トンネルバリヤ層3−第2磁化固定層4−アース線13」の経路を流れる。その読み出し電流に基づいて、記憶データをセンスすることができる。
When reading data, the
図9は、複数の磁気メモリセル110がアレイ状に配置されたMRAM100の構成の一例を示している。各磁気メモリセル110は、図8に示された構成を有している。ワード線12はXセレクタ120に接続されており、Xセレクタ120は、アクセス対象の磁気メモリセル110につながるワード線12を選択する。ビット線11a、11bは、Yセレクタ130、Y側電流終端回路140に接続されている。Yセレクタ130は、アクセス対象の磁気メモリセル110につながるビット線11a(あるいは11b)を選択する。選択されたビット線を通して、書き込み電流が、アクセス対象の磁気メモリセル110に供給される、あるいは、引き抜かれる。
FIG. 9 shows an example of the configuration of the
1−8.レイアウト
図10は、図8に示された磁気メモリセルの断面構造の一例を示している。図11A〜図11Eは、図10中の層LA〜LEのそれぞれに対するXY面レイアウト例を示している。逆に、図11A〜図11E中の線A−A’に沿った断面構造が、図10に示されている。
1-8. Layout FIG. 10 shows an example of a cross-sectional structure of the magnetic memory cell shown in FIG. 11A to 11E show XY plane layout examples for the layers LA to LE in FIG. Conversely, a cross-sectional structure taken along line AA ′ in FIGS. 11A to 11E is shown in FIG.
図10を参照して、半導体基板16中に素子分離構造17が形成されている。素子分離構造17の両側の素子領域のそれぞれに、選択トランジスタ10a、10bが形成されている。各選択トランジスタは、半導体基板16上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極(ワード線)12と、半導体基板16の表面に形成された拡散層(ソース/ドレイン)18a、18bを有している。拡散層18aは、ビア15、メタル層14、及び電極層19を介して、第1磁化固定層1a、1bに接続されている。一方、拡散層18bは、ビア15及びメタル層14を介して、最上層でビット線11a、11bに接続されている。また、第2磁化固定層4は、電極層19及びビア15を介して、アース線13に接続されている。
Referring to FIG. 10,
図11A〜図11Eに示されるように、図10で示された各構造は、無駄なくレイアウトされている。選択トランジスタ10を用いて書き込み電流を磁化自由層2に供給するという本実施の形態に係る書き込み方式は、電流磁界方式で必要とされる書き込み配線を必要としない。且つ、当該書き込み方式は、半導体基板上に設けられるトランジスタを、無駄なく有効に利用することができる。また、図11Aに示されるように、選択トランジスタ10a、10bのゲート電極(ワード線)12は共通化されている。
As shown in FIGS. 11A to 11E, the structures shown in FIG. 10 are laid out without waste. The write method according to the present embodiment in which the write current is supplied to the magnetization
更に、本実施の形態によれば、第1磁化固定層1a、1bと磁化自由層2は、同一平面上に形成されておらず、立体的に組み合わされている。第1磁化固定層1a、1bの固定磁化を安定的に維持するためには、第1磁化固定層1a、1bとしてある程度のボリュームが必要である。本実施の形態によれば、第1磁化固定層1a、1bはZ方向に延びるように形成されるため、それらのXY平面形状を縮小することができる(図4参照)。更に、第1磁化固定層1a、1bと磁化自由層2はオーバーラップしている(図11B参照)。従って、従来技術と比較して、磁気メモリセルの面積が低減される。図11A〜図11Eで示された例の場合、セル面積は12.8F2となる。
Furthermore, according to the present embodiment, the first magnetization fixed
1−9.効果
本実施の形態により得られる主な効果は、次の通りである。
1-9. Effects The main effects obtained by the present embodiment are as follows.
まず、データ書き込みがスピン注入方式で行われるため、素子の微細化に伴って、書き込み電流をより小さくすることが可能である。言い換えれば、データ書き込みに必要な最低限の電流値がより小さくなる。これは、書き込みマージンが広くなることを意味する。 First, since data writing is performed by a spin injection method, the writing current can be further reduced as the element is miniaturized. In other words, the minimum current value required for data writing becomes smaller. This means that the write margin is widened.
また、データ書き込みが水平スピン注入方式で行われるため、書き込み電流はMTJを貫通しない。書き込み毎に書き込み電流をトンネルバリヤ層3に流す必要がないため、トンネルバリヤ層3の劣化が抑制される。更に、読み出し特性がトンネルバリヤ層3を含むMTJの性質に依存するのに対し、書き込み特性は磁化自由層2の性質に主に依存する。従って、読み出し特性と書き込み特性をほぼ独立して設計することが可能となる。言い換えれば、読み出し特性に大きく制約されることなく、書き込み特性を設計することが可能となる。すなわち、書き込み特性の設計自由度が向上する。このことも、書き込みマージンの拡大に寄与する。
In addition, since data writing is performed by the horizontal spin injection method, the write current does not penetrate the MTJ. Since it is not necessary to pass a write current through the
更に、本実施の形態によれば、第1磁化固定層1と磁化自由層2は、同一平面上に形成されておらず、立体的に配置されている。その結果、次のような効果が更に得られる。
Furthermore, according to the present embodiment, the first magnetization fixed
磁化方向が可変な領域と磁化方向が固定された領域とでは、求められる磁気特性も異なってくる。しかしながら、それら領域が同一の磁性層内に存在する場合、領域ごとに磁気特性を調整することが困難である。本実施の形態によれば、第1磁化固定層1と磁化自由層2を、独立して設計することが可能である。すなわち、設計の自由度が高い。その結果、第1磁化固定層1と磁化自由層2のそれぞれを、求められる磁気特性に応じて最適化することが可能となる。
The required magnetic characteristics differ between the region in which the magnetization direction is variable and the region in which the magnetization direction is fixed. However, when these regions exist in the same magnetic layer, it is difficult to adjust the magnetic characteristics for each region. According to the present embodiment, the first magnetization fixed
また、第1磁化固定層1a、1bの磁化の向きは、反対のスピン偏極電子を供給できるように固定されなければならない。一対の第1磁化固定層1a、1bと磁化自由層2が同一平面上で直線状に形成される場合、その一対の第1磁化固定層1a、1bの磁化を互いに反対向きに固定する必要がある。このことは、複雑な製造プロセスを必要としてしまう。本実施の形態では、第1磁化固定層1a、1bの磁化は、同じ方向(+Z方向あるいは−Z方向)に固定される。従って、複雑な製造プロセスが不要となる。
Further, the magnetization directions of the first magnetization fixed
更に、上記第1−8節で説明されたように、磁気抵抗素子及び磁気メモリセルの面積を縮小することが可能となる。このことは、大容量MRAMの実現に寄与する。 Furthermore, as described in the above section 1-8, the areas of the magnetoresistive element and the magnetic memory cell can be reduced. This contributes to the realization of a large-capacity MRAM.
2.第2の実施の形態
第2の実施の形態において、第1の実施の形態における構成と同じ構成には同一の符号が付され、重複する説明は適宜省略される。
2. Second Embodiment In the second embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and redundant descriptions are omitted as appropriate.
図12は、第2の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の構造を概略的に示す側面図である。本実施の形態によれば、上述の第1磁化固定層1a、1bの代わりに、第1磁化固定層20a、20bが設けられている。第1磁化固定層20a、20bは、Z方向の「結晶磁気異方性」を有する材料で形成されている。そのため、第1磁化固定層20a、20bの磁化を容易に固定することができる。また、第1磁化固定層20a、20bのZ方向のアスペクト比を大きくする必要がない。
FIG. 12 is a side view schematically showing the structure of the magnetoresistance effect element according to the second exemplary embodiment. According to the present embodiment, the first magnetization fixed
第1磁化固定層20a、20bの材料として、Fe、Co、Niなどの遷移金属やそれらからなる合金で、垂直磁気異方性を示す材料を用いることができる。例えば、Fe、Co、Niなどの遷移金属元素とPd、Pt、Tb、Gdなどの非磁性元素からなる合金、特に規則合金が好適である。また、Fe、Co、Niなどの遷移金属やそれらからなる合金による人工格子を材料として用いることもできる。また、これら磁性金属や磁性合金に非磁性元素を添加することにより、磁気特性、結晶性、機械的特性、化学的特性などの特性を調整してもよい。第1磁化固定層20a、20bに関しては、磁気異方性が適度に大きく、またスピン分極率が高いことが望ましい。
As the material of the first magnetization fixed
書き込み動作及び読み出し動作は、第1の実施の形態と同様である(図2、図3参照)。また、第1の実施の形態と同様に、第1磁化固定層20a、20bや磁化自由層2の平面形状、側面形状、位置関係等は、様々なパターンを取り得る(図4、図5A〜図5C、図6A〜図6C、図7A〜図7D参照)。回路構成やレイアウトも、第1の実施の形態と同様である(図8〜図10、図11A〜図11E参照)。本実施の形態に係る構造によっても、第1の実施の形態と同様の効果が得られる。
The write operation and the read operation are the same as those in the first embodiment (see FIGS. 2 and 3). Similarly to the first embodiment, the planar shape, the side surface shape, the positional relationship, and the like of the first magnetization fixed
3.第3の実施の形態
第3の実施の形態において、既出の実施の形態における構成と同じ構成には同一の符号が付され、重複する説明は適宜省略される。
3. Third Embodiment In the third embodiment, the same reference numerals are given to the same components as those in the above-described embodiments, and overlapping descriptions are omitted as appropriate.
図13は、第3の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の構造を概略的に示す側面図である。本実施の形態によれば、第1磁化固定層1a(20a)は、導電層30aを介して磁化自由層2の一端に接続されている。第1磁化固定層1b(20b)は、導電層30bを介して磁化自由層2の他端に接続されている。導電層30の材料としては、Au、Ag、Cu、Nb、Mo、Hf、Ta、W、Al、Ti、ZrN、TiNなどの電気抵抗が低い金属元素や化合物を用いることができる。導電層30は、磁化自由層2の結晶成長のためのシード層としての役割も兼ねる。
FIG. 13 is a side view schematically showing the structure of the magnetoresistance effect element according to the third exemplary embodiment. According to the present embodiment, the first magnetization fixed
図14は、磁化自由層2の磁化状態の一例を示している。第1磁化固定層1(20)の固定磁化が磁化自由層2の端部の磁化に影響を及ぼしており、図3で示された磁化状態と同様の磁化状態が得られる。従って、既出の実施の形態と同様の手法で、データ書き込みが実現される。この時、導電層30は、書き込み電流の供給による磁化自由層2の温度上昇を防ぐ役割も果たす。
FIG. 14 shows an example of the magnetization state of the magnetization
4.第4の実施の形態
第4の実施の形態において、既出の実施の形態における構成と同じ構成には同一の符号が付され、重複する説明は適宜省略される。
4). Fourth Embodiment In the fourth embodiment, the same reference numerals are given to the same components as those in the above-described embodiments, and overlapping descriptions are omitted as appropriate.
図15は、第4の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の構造を概略的に示す側面図である。本実施の形態によれば、第1磁化固定層1a、1b(20a、20b)は、磁化自由層2から電気的に隔離されて配置されている。その代わり、磁化自由層2の一端には第1導電層30aが接続され、その他端には第2導電層30bが接続されている。導電層30a、30bの材料は、第3の実施の形態と同様である。
FIG. 15 is a side view schematically showing the structure of the magnetoresistance effect element according to the fourth exemplary embodiment. According to the present embodiment, the first magnetization fixed
第1磁化固定層1a、1b(20a、20b)は、磁化自由層2から離れているが、磁化自由層2と磁気的には結合している。既出の実施の形態と同様に、第1磁化固定層1a(20a)は、磁化自由層2の一端の側に配置されており、その固定磁化は、磁化自由層2の一端の磁化に影響を及ぼしている。また、第1磁化固定層1b(20b)は、磁化自由層2の他端の側に配置されており、その固定磁化は、その磁化自由層2の他端の磁化に影響を及ぼしている。その結果、図3で示された磁化状態と同様の磁化状態が得られる。
The first magnetization fixed
特に、図15に示されるように、第1磁化固定層1a、1b(20a、20b)は、導電層30a、30bの外側に設けられることが好適である。つまり、第1磁化固定層1a(20a)は、磁化自由層2から−X方向に離れて配置され、第2磁化固定層1b(20b)は、磁化自由層2から+X方向に離れて配置される。その場合、既出の図6A〜図6Cで示された「はみだし部Pb」と同様の効果が得られる。図3で示された例で言えば、−X方向の成分を有する磁化MCがほぼ無くなり、逆に、+X方向の成分を有する磁化MBが増える。また、磁化MBの+X方向の成分自体も増大する。これらのことは、+X方向スピン偏極電子の供給効率が増加することを意味する。
In particular, as shown in FIG. 15, the first magnetization fixed
図16は、磁化自由層2の磁化状態の一例を示している。データ書き込み時、書き込み電流は、導電層30a、30bの一方から他方へ磁化自由層2を通って流される。この時、導電層30は、書き込み電流の供給による磁化自由層2の温度上昇を防ぐ役割も果たす。図16に示されるように、磁化自由層2の端部において、磁化のX方向成分が強まっている。その結果、既出の実施の形態と比較して、X方向スピン偏極電子の供給効率が増加する。従って、書き込み電流を更に低減することが可能となる。
FIG. 16 shows an example of the magnetization state of the magnetization
5.第5の実施の形態
第5の実施の形態において、既出の実施の形態における構成と同じ構成には同一の符号が付され、重複する説明は適宜省略される。
5. Fifth Embodiment In the fifth embodiment, the same reference numerals are given to the same components as those in the above-described embodiments, and overlapping descriptions are omitted as appropriate.
図17は、第5の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の構造を概略的に示す側面図である。本実施の形態によれば、磁気抵抗効果素子の近傍にアシスト配線40が設けられている。データ書き込み時、このアシスト配線には所定の電流が流れ、それによりアシスト磁界が発生する。そのアシスト磁界は、磁化自由層2に印加され、磁壁の移動をアシストする。すなわち、データ書き込み時、磁化自由層2における磁壁移動をアシストするような向きのアシスト磁界が発生するように、アシスト配線に電流が流される。
FIG. 17 is a side view schematically showing the structure of the magnetoresistance effect element according to the fifth exemplary embodiment. According to the present embodiment, the assist
例えば図17において、Y方向に延びるアシスト配線40が、磁気抵抗効果素子の磁化自由層2の下方に配置されている。磁壁を+X方向に移動させる際、アシスト配線40には+Y方向の電流が流される。その結果、+X方向のアシスト磁界が、磁化自由層2に印加されることになる。そのアシスト磁界により磁化自由層2の磁化は+X方向に向きやすくなる、すなわち、アシスト磁界によって+X方向への磁壁移動がアシストされる。逆に、磁壁を−X方向に移動させる際、アシスト配線40には−Y方向の電流が流される。尚、アシスト配線40の位置や本数は、図17に示されたものに限られない。
For example, in FIG. 17, an assist
このように、本実施の形態によれば、磁化自由層2に対する書き込み電流の供給と同時に、アシスト配線40により生成されるアシスト磁界が、磁化自由層2に印加される。そのアシスト磁界によって磁壁移動がアシストされるため、磁化自由層2に供給すべき書き込み電流の量を低減することが可能となる。すなわち、磁壁移動に最低限必要な書き込み電流の値が小さくなる。これは、書き込みマージンが広くなることを意味する。
Thus, according to the present embodiment, the assist magnetic field generated by the
図18は、アシスト配線40のレイアウトの一例を示している。図18において、アシスト配線40は、図11A及び図11Bで示された2層間に配置されている。このアシスト配線40はY方向に延びるように形成されており、Y方向に沿って配置された一列の磁気メモリセルに対して共通に設けられている。
FIG. 18 shows an example of the layout of the
図19は、アシスト配線40のレイアウトの他の例を示している。図19において、アシスト配線40は、一方の第1磁化固定層1b(20b)に接続されている。この場合、アシスト配線40は、アシスト磁界を発生させるだけでなく、磁化自由層2に書き込み電流を供給する役割をも果たす。逆に言えば、書き込み電流を供給するための配線が、アシスト配線40として併用されている。データ書き込み時、書き込み電流は、アシスト配線40を通して第1磁化固定層1bに供給される、又は、そこから引き抜かれる。同時に、その書き込み電流によって生成されたアシスト磁界が、磁化自由層2に印加される。このような構成により、配線数を削減し、回路面積を縮小することが可能となる。
FIG. 19 shows another example of the layout of the
図20A及び図20Bは、アシスト配線40の変形例を示している。図20A及び図20Bに示されるアシスト配線40は、ヨーク構造を有している。すなわち、アシスト配線40の面のうち、磁化自由層2と対向していない面の一部が、磁性体41によって覆われている。図20Aにおいては、アシスト配線40の底面が磁性体41で覆われており、図20Bにおいては、アシスト配線40の側面及び底面が磁性体41で覆われている。このようなヨーク構造によってアシスト磁界が増大し、書き込み電流を更に低減することが可能となる。
20A and 20B show a modified example of the
1,1a,1b 第1磁化固定層
2 磁化自由層(フリー層)
3 トンネルバリヤ層
4 第2磁化固定層(ピン層)
10,10a,10b 選択トランジスタ
11,11a,11b ビット線
12 ワード線
13 アース線
14 メタル層
15 ビア
16 半導体基板
17 素子分離構造
18 拡散層
19 電極層
20 第1磁化固定層
30 導電層
40 アシスト配線
41 磁性体
100 MRAM
110 磁気メモリセル
120 Xセレクタ
130 Yセレクタ
140 Y側電流終端回路
DW 磁壁
1, 1a, 1b First magnetization fixed
3
10, 10a,
110 Magnetic Memory Cell 120 X Selector 130 Y Selector 140 Y Side Current Termination Circuit DW Domain Wall
Claims (18)
第1平面上に形成され、磁化の向きが可変な磁化自由層と、
非磁性層を介して前記磁化自由層に接続され、磁化の向きが固定された第2磁化固定層と
を備え、
前記2つの第1磁化固定層は、前記磁化自由層を挟んで前記第2磁化固定層と対向するように配置され、また、前記磁化自由層と磁気的に結合しており、
前記2つの第1磁化固定層の磁化は共に、前記第1平面に直角な第1方向の成分を有し、
データ書き込み時、書き込み電流が、前記第1平面内において、前記磁化自由層の一端から他端に流される
磁気抵抗効果素子。 At least two first magnetization fixed layers having fixed magnetization directions;
A magnetization free layer formed on the first plane and having a variable magnetization direction;
A second magnetization fixed layer connected to the magnetization free layer via a nonmagnetic layer and having a magnetization direction fixed;
The two first magnetization fixed layers are disposed so as to face the second magnetization fixed layer with the magnetization free layer interposed therebetween, and are magnetically coupled to the magnetization free layer,
Both the magnetizations of the two first magnetization fixed layers have a component in a first direction perpendicular to the first plane,
A magnetoresistive element in which a write current is caused to flow from one end to the other end of the magnetization free layer in the first plane during data writing.
前記2つの第1磁化固定層の一方は、前記磁化自由層の前記一端の側に配置され、
前記2つの第1磁化固定層の他方は、前記磁化自由層の前記他端の側に配置され、
前記一方の第1磁化固定層の磁化は、前記磁化自由層の磁化に対して、前記第1方向に直角な第2方向の磁気力を与え、
前記他方の第1磁化固定層の磁化は、前記磁化自由層の磁化に対して、前記第2方向と反平行な第3方向の磁気力を与える
磁気抵抗効果素子。 The magnetoresistive element according to claim 1,
One of the two first magnetization fixed layers is disposed on the one end side of the magnetization free layer,
The other of the two first magnetization fixed layers is disposed on the other end side of the magnetization free layer,
The magnetization of the one first magnetization fixed layer gives a magnetic force in a second direction perpendicular to the first direction to the magnetization of the magnetization free layer,
Magnetization of the other first magnetization fixed layer gives a magnetic force in a third direction antiparallel to the second direction to the magnetization of the magnetization free layer.
前記一方の第1磁化固定層は、前記磁化自由層の前記一端に接続されており、
前記他方の第1磁化固定層は、前記磁化自由層の前記他端に接続されている
磁気抵抗効果素子。 The magnetoresistive effect element according to claim 2,
The one first magnetization fixed layer is connected to the one end of the magnetization free layer,
The other first magnetization fixed layer is connected to the other end of the magnetization free layer.
前記一方の第1磁化固定層は、第1導電層を介して、前記磁化自由層の前記一端に接続されており、
前記他方の第1磁化固定層は、第2導電層を介して、前記磁化自由層の前記他端に接続されている
磁気抵抗効果素子。 The magnetoresistive effect element according to claim 2,
The one first magnetization fixed layer is connected to the one end of the magnetization free layer through a first conductive layer,
The other first magnetization fixed layer is connected to the other end of the magnetization free layer via a second conductive layer.
前記データ書き込み時、前記書き込み電流は、前記一方の第1磁化固定層から前記磁化自由層を通って前記他方の第1磁化固定層に流れる
磁気抵抗効果素子。 The magnetoresistive effect element according to claim 3 or 4,
At the time of data writing, the write current flows from the one first magnetization fixed layer to the other first magnetization fixed layer through the magnetization free layer.
前記第1方向から見た場合、
前記一方の第1磁化固定層の平面形状は、前記他端から離れる方向に、前記磁化自由層の平面形状の外にはみ出しており、
前記他方の第1磁化固定層の平面形状は、前記一端から離れる方向に、前記磁化自由層の平面形状の外にはみ出している
磁気抵抗効果素子。 The magnetoresistive effect element according to any one of claims 3 to 5,
When viewed from the first direction,
The planar shape of the one first magnetization fixed layer protrudes outside the planar shape of the magnetization free layer in a direction away from the other end,
A magnetoresistive effect element, wherein the planar shape of the other first magnetization fixed layer protrudes from the planar shape of the magnetization free layer in a direction away from the one end.
前記2つの第1磁化固定層は、前記磁化自由層から離れて配置されている
磁気抵抗効果素子。 The magnetoresistive effect element according to claim 2,
The two first magnetization fixed layers are arranged away from the magnetization free layer. Magnetoresistive effect element.
前記一方の第1磁化固定層は、前記他端から離れる方向に、前記磁化自由層から離れて配置され、
前記他方の第1磁化固定層は、前記一端から離れる方向に、前記磁化自由層から離れて配置されている
磁気抵抗効果素子。 The magnetoresistive element according to claim 7,
The one first magnetization fixed layer is disposed away from the magnetization free layer in a direction away from the other end,
The other first magnetization fixed layer is disposed away from the magnetization free layer in a direction away from the one end. Magnetoresistive element.
前記磁化自由層の前記一端に接続された第1導電層と、
前記磁化自由層の前記他端に接続された第2導電層と
を更に備え、
前記データ書き込み時、前記書き込み電流は、前記第1導電層から前記磁化自由層を通って前記第2導電層に流れる
磁気抵抗効果素子。 The magnetoresistive effect element according to claim 7 or 8,
A first conductive layer connected to the one end of the magnetization free layer;
A second conductive layer connected to the other end of the magnetization free layer,
When writing data, the write current flows from the first conductive layer through the magnetization free layer to the second conductive layer.
前記2つの第1磁化固定層は、前記磁化自由層に近づくにつれて拡がるテーパー構造を有している
磁気抵抗効果素子。 The magnetoresistive effect element according to any one of claims 2 to 9,
The two first magnetization fixed layers have a taper structure that expands toward the magnetization free layer. Magnetoresistive element.
前記2つの第1磁化固定層は、長手方向が前記第1平面に対して斜めになるように形成されている
磁気抵抗効果素子。 The magnetoresistive effect element according to any one of claims 2 to 9,
The two first magnetization fixed layers are formed such that a longitudinal direction is inclined with respect to the first plane.
前記磁化自由層は、前記2つの第1磁化固定層に近づくにつれて拡がるテーパー構造を有している
磁気抵抗効果素子。 The magnetoresistive effect element according to any one of claims 2 to 9,
The magnetization free layer has a taper structure that expands toward the two first magnetization fixed layers. Magnetoresistive element.
前記2つの第1磁化固定層は、前記第1方向に形状磁気異方性を有する
磁気抵抗効果素子。 The magnetoresistive effect element according to any one of claims 1 to 12,
The two first magnetization fixed layers have a magnetoresistive effect in the first direction.
前記2つの第1磁化固定層は、前記第1方向に結晶磁気異方性を有する
磁気抵抗効果素子。 The magnetoresistive effect element according to any one of claims 1 to 12,
The two first magnetization fixed layers have magnetocrystalline anisotropy in the first direction.
前記磁化自由層は、
前記一端と前記他端との中央に対して前記一端側に位置し、前記中央での断面積と異なる断面積を有する第1領域と、
前記中央に対して前記他端側に位置し、前記中央での断面積と異なる断面積を有する第2領域と
を含む
磁気抵抗効果素子。 The magnetoresistive effect element according to any one of claims 1 to 14,
The magnetization free layer is
A first region located on the one end side with respect to the center of the one end and the other end and having a cross-sectional area different from the cross-sectional area at the center;
A magnetoresistive effect element including: a second region located on the other end side with respect to the center and having a cross-sectional area different from the cross-sectional area at the center.
前記複数の磁気メモリセルの各々は、
請求項1乃至15のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子と、
前記データ書き込み時、前記書き込み電流を前記磁化自由層に供給するためのトランジスタと
を備える
MRAM。 Comprising a plurality of magnetic memory cells arranged in an array;
Each of the plurality of magnetic memory cells includes:
A magnetoresistive effect element according to any one of claims 1 to 15,
A transistor for supplying the write current to the magnetization free layer when the data is written;
前記データ書き込み時、前記書き込み電流の供給と同時に、外部磁界が前記磁化自由層に印加される
MRAM。 The MRAM according to claim 16, wherein
An MRAM in which an external magnetic field is applied to the magnetization free layer simultaneously with the supply of the write current during the data writing.
前記磁化自由層に対して前記書き込み電流を供給するための配線を更に具備し、
前記データ書き込み時、前記配線を流れる前記書き込み電流により、前記外部磁界が同時に生成される
MRAM。 The MRAM according to claim 17, wherein
A wiring for supplying the write current to the magnetization free layer;
The MRAM in which the external magnetic field is generated simultaneously by the write current flowing through the wiring during the data writing.
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