JP2008171862A - 磁気抵抗効果素子及びmram - Google Patents
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Abstract
【解決手段】磁気抵抗効果素子1は、固定磁化MP1を有する第1磁化固定層13と、非磁性層14を介して第1磁化固定層13に接続された第1磁化自由層15と、固定磁化MP2を有する第2磁化固定層23と、非磁性層24を介して第2磁化固定層23に接続された第2磁化自由層25と、磁化自由層15、25の間に介在する中間配線層50とを備える。磁化自由層15、25の磁化容易軸はX方向に沿っている。固定磁化MP1、MP2は、X方向に沿った向きに固定されている。磁化自由層15、25は、中間配線層50を介して磁気的に結合している。中間配線層50は、磁化自由層15、25とオーバラップする第1領域R1から所定の方向に延びている。その所定の方向は、X方向に直角なY方向の成分を少なくとも含んでいる。
【選択図】図4
Description
1−1.基本構造
図4は、本発明の第1の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子(磁気メモリセル)1の構造を示す斜視図である。本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子1は、第1配線層11、第1反強磁性層12、第1磁化固定層13、第1トンネルバリヤ層14、第1磁化自由層15、中間配線層50、第2磁化自由層25、第2トンネルバリヤ層24、第2磁化固定層23、第2反強磁性層22、及び第2配線層21が順番に積層された積層構造を有している。第1配線層11、第1反強磁性層12、第1磁化固定層13、第1トンネルバリヤ層14、及び第1磁化自由層15は、第1積層構造10を構成している。一方、第2磁化自由層25、第2トンネルバリヤ層24、第2磁化固定層23、第2反強磁性層22、及び第2配線層21は、第2積層構造20を構成している。中間配線層50は、第1積層構造10と第2積層構造20との間に介在している。
(データ書き込み)
図6は、本実施の形態に係るデータ書き込みを説明するための概念図である。第1磁化自由層15の第1反転磁化MF1の向きが−X方向である状態、つまり、その向きが第1固定磁化MP1の向き(−X方向)と平行である「平行状態」が、データ“0”に対応付けられている。この平行状態では、第2磁化自由層25の第2反転磁化MF2の向きは、+X方向である。一方、第1磁化自由層15の第1反転磁化MF1の向きが+X方向である状態、つまり、その向きが第1固定磁化MP1の向き(−X方向)と反平行である「反平行状態」が、データ“1”に対応付けられている。この反平行状態では、第2磁化自由層25の第2反転磁化MF2の向きは、−X方向である。第1積層構造10中のMTJの抵抗値は、平行状態(データ“0”)において比較的小さく、反平行状態(データ“1”)において比較的大きい。
図7は、本実施の形態に係るデータ読み出しを説明するための概念図である。データ読み出し時、読み出し電流IRは、第3配線層31から第1配線層11に流される、あるいは、第1配線層11から第3配線層31に流される。図7においては、読み出し電流IRは、読み出し電流IRは、第3配線層31から中間配線層50に流れ込み、更に、中間配線層50から第1積層構造10中のMTJを通って第1配線層11に流れる。これにより、第1積層構造10中のMTJの抵抗値を検出することが可能となる。例えば、読み出し電流IRに応じた電圧と所定の基準電圧との比較を行うことにより、MTJの抵抗値の大小を検出することができる。その結果、当該磁気抵抗素子(磁気メモリセル)1に記憶されているデータが“0”か“1”かをセンスすることができる。
中間配線層50の延伸方向は、上述の例における+Y方向に限られない。一般化して言えば、中間配線層50を流れる書き込み電流により発生するアシスト磁界(B1,B2)が、第2反転磁化MF2の反転を促すようなX成分を少なくとも含んでいればよい。そのために、中間配線層50の延伸方向は、少なくとも+Y方向に沿った成分を含んでいればよい。
図11は、本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の変形例を示すYZ側面図である。図11において、既出の構成と同じ構成には同じ符号が付されている。本変形例に係る磁気抵抗効果素子1aは、第2領域R2において、第3積層構造30を有している。その第3積層構造30は、中間配線層50上に順番に形成された第3磁化自由層35、第3トンネルバリヤ層34、第3磁化固定層33、第3反強磁性層32、及び第3配線層31を含んでいる。つまり、中間配線層50は、第2領域R2において、それら層32〜35を介して第3配線層31に接続されている。
図13は、本実施の形態に係るMRAMの構成の一例を示す回路図である。MRAMは、アレイ状に配置された複数の磁気メモリセル1を備えている。各磁気メモリセル1が、本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を含んでいる。第1配線層11は、ワード線WL2に接続され、第2配線層21は、ワード線WL1に接続されている。また、第3配線層31は、ビット線BLに接続されている。複数のワード線WL1は、第1ワードドライバ2に接続されている。複数のワード線WL2は、第2ワードドライバ3に接続されている。複数のビット線BLは、ビットドライバ4に接続されている。
本発明の第2の実施の形態において、他の3端子型の磁気抵抗効果素子が提案される。第2の実施の形態に係るMRAMの各磁気メモリセルは、以下に示される磁気抵抗効果素子を含んでいる。
図14は、第2の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子(磁気メモリセル)の構成を示すXZ側面図である。本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子は、読み出し部60、第1書き込み部70、第2書き込み部80、及び磁化自由層90を備えている。磁化自由層90は、読み出し部60上に形成されている。第1書き込み部70及び第2書き込み部80のそれぞれは、第1領域R1及び第2領域R2の磁化自由層90上に形成されている。
(データ書き込み)
データ書き込みには、第1書き込み部70と第2書き込み部80が用いられる。データ書き込み時、書き込み電流IWは、第2配線層71と第3配線層81との間に流される。第1書き込み部70の磁化固定層73と第2書き込み部80の磁化固定層83は、それぞれ反対向きの固定磁化を有しており、反対向きのスピン偏極電子を供給するための供給源として機能する。
データ読み出しには、読み出し部60が用いられる。データ読み出し時、読み出し電流IRは、第2、第3配線層71、81から第1配線層61に流される、あるいは、第1配線層61から第2、第3配線層71、81に流される。これにより、読み出しMTJの抵抗値を検出することが可能となる。例えば、読み出し電流IRに応じた電圧と所定の基準電圧との比較を行うことにより、読み出しMTJの抵抗値の大小を検出することができる。その結果、当該磁気抵抗素子(磁気メモリセル)に記憶されているデータが“0”か“1”かをセンスすることができる。
2 第1ワードドライバ
3 第2ワードドライバ
4 ビットドライバ
10 第1積層構造
11 第1配線層
12 第1反強磁性層
13 第1磁化固定層
14 第1トンネルバリヤ層
15 第1磁化自由層
20 第2積層構造
21 第2配線層
22 第2反強磁性層
23 第2磁化固定層
24 第2トンネルバリヤ層
25 第2磁化自由層
30 第3積層構造
31 第3配線層
32 第3反強磁性層
33 第3磁化固定層
34 第3トンネルバリヤ層
35 第3磁化自由層
40 第4積層構造
41 第4配線層
42 第4反強磁性層
43 第4磁化固定層
44 第4トンネルバリヤ層
45 第4磁化自由層
50 中間配線層
60 読み出し部
61 第1配線層
62 第1反強磁性層
63 第1磁化固定層
64 第1トンネルバリヤ層
70 第1書き込み部
71 第2配線層
72 第2反強磁性層
73 第2磁化固定層
74 第2トンネルバリヤ層
80 第2書き込み部
81 第3配線層
82 第3反強磁性層
83 第3磁化固定層
84 第3トンネルバリヤ層
90 磁化自由層
MF1 第1反転磁化
MF2 第2反転磁化
MP1 第1固定磁化
MP2 第2固定磁化
Claims (9)
- 向きが固定された第1固定磁化を有する第1磁化固定層と、
第1非磁性層を介して前記第1磁化固定層に接続され、反転可能な第1反転磁化を有する第1磁化自由層と、
向きが固定された第2固定磁化を有する第2磁化固定層と、
第2非磁性層を介して前記第2磁化固定層に接続され、反転可能な第2反転磁化を有する第2磁化自由層と、
前記第1磁化自由層と前記第2磁化自由層との間に介在する中間配線層と
を備え、
前記第1磁化自由層及び前記第2磁化自由層の磁化容易軸は第1方向に沿っており、
前記第1固定磁化と前記第2固定磁化は、前記第1方向に沿った向きに固定されており、
前記第1磁化自由層と前記第2磁化自由層は、前記中間配線層を介して磁気的に結合しており、
前記中間配線層は、前記第1磁化自由層及び前記第2磁化自由層とオーバラップする第1領域から所定の方向に延びており、
前記所定の方向は、前記第1方向に直角な第2方向の成分を少なくとも含んでいる
磁気抵抗効果素子。 - 請求項1に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第2磁化固定層から前記中間配線層を見た場合、
前記所定の方向は、前記第2磁化固定層の磁化の向きから時計回りに0度より大きく180度より小さい方向である
磁気抵抗効果素子。 - 請求項1に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第2磁化固定層から前記中間配線層を見た場合、
前記所定の方向は、前記第2磁化固定層の磁化の向きから時計回りに90度の方向である
磁気抵抗効果素子。 - 請求項1乃至3のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
データ書き込み時、
書き込み電流は、前記第2磁化自由層の前記第2反転磁化がスピントランスファーによって反転するように、前記中間配線層と前記第2磁化固定層との間に流され、
且つ、
前記中間配線層を流れる前記書き込み電流により発生する磁界は、前記第2磁化自由層において少なくとも前記第1方向に沿った成分を含み、前記第2反転磁化の反転をアシストする
磁気抵抗効果素子。 - 請求項4に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第1磁化自由層と前記第2磁化自由層は、前記第1反転磁化と前記第2反転磁化が互いに逆向きになるように磁気的に結合しており、
前記データ書き込み時、前記磁界は、前記第1磁化自由層及び前記第2磁化自由層のそれぞれにおいて前記第1方向に沿った互いに逆向きの成分を含む
磁気抵抗効果素子。 - 請求項4又は5に記載の磁気抵抗効果素子であって、
データ読み出し時、
前記中間配線層と前記第1磁化固定層との間に読み出し電流が流される
磁気抵抗効果素子。 - 請求項1乃至6のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記中間配線層は、前記第1領域から前記所定の方向に位置する第2領域において、配線層と接続されている
磁気抵抗効果素子。 - 請求項7に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記中間配線層は、前記第2領域において、第3磁化自由層、第3非磁性層、及び第3磁化固定層を介して前記配線層に接続されており、
前記第3磁化自由層、前記第3非磁性層、及び前記第3磁化固定層の厚さは、それぞれ前記第2磁化自由層、前記第2非磁性層、及び前記第2磁化固定層の厚さと同じである
磁気抵抗効果素子。 - アレイ状に配置された複数の磁気メモリセルを具備し、
前記複数の磁気メモリセルの各々は、請求項1乃至8のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子を有する
MRAM。
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