JP2010098259A - Memory cell, and magnetic memory element - Google Patents

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Yasuhiro Fukuma
康裕 福間
To Yo
涛 楊
Takashi Kimura
崇 木村
Yoshichika Otani
義近 大谷
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RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a memory cell using a magnetization inversion mechanism using a spin current. <P>SOLUTION: This memory cell 31 includes: a flat nonmagnetic layer 16; a ferromagnetic layer 12 installed on a surface of the nonmagnetic layer 16 and formed of a ferromagnetic substance with the direction of magnetization fixed; and a free layer 15 installed on a surface of the nonmagnetic layer 16 and formed of a ferromagnetic substance having a variable direction of magnetization. The memory cell 31 stores information depending on whether the direction of magnetization of the ferromagnetic layer 12 and that of the free layer 15 are nearly parallel with each other or nearly nonparallel with each other by changing the direction of a current flowing between the nonmagnetic layer 16 and the ferromagnetic layer 12 to change a spin quantization axis of a spin current flowing through the nonmagnetic layer 16 and thereby changing the direction of magnetization of the free layer 15. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、スピン流を利用した磁化反転機構を利用するメモリセル、および、磁気メモリ素子に関する。   The present invention relates to a memory cell using a magnetization reversal mechanism using spin current, and a magnetic memory element.

情報化社会の進展に伴い、高速かつ大容量通信網へのアクセスが可能となり、携帯電話やコンピューター等の情報端末の高性能化への要求は増している。特に、情報の蓄積に利用されるハードディスクの大容量化、情報の処理に利用されるCPU等の半導体素子の高速化は日進月歩である。しかしながら、これまでのような素子の高性能化が今後も引き続き可能であるわけではない。近い将来に物理的限界がおとずれることが危惧されている。   With the progress of the information society, it is possible to access high-speed and large-capacity communication networks, and the demand for higher performance of information terminals such as mobile phones and computers is increasing. In particular, the increase in the capacity of hard disks used for storing information and the speeding up of semiconductor elements such as CPUs used for processing information are steadily progressing. However, it is not always possible to improve the performance of the device as in the past. There are concerns that the physical limits will shift in the near future.

そこで、近年、磁性体材料を用いた磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM;Magnetoresistive Random Access Memory)が大きな注目を集めている。   Therefore, in recent years, magnetic random access memory (MRAM) using a magnetic material has attracted much attention.

MRAMは、少なくとも二つの強磁性体層とそれらに挟まれた非磁性層をメモリビットとしている。二つの強磁性体層のスイッチング磁界は異なるように設計されている。   The MRAM uses at least two ferromagnetic layers and a nonmagnetic layer sandwiched between them as memory bits. The switching fields of the two ferromagnetic layers are designed to be different.

情報書き込み動作により磁化反転させられる強磁性体層をフリー層、他方、大きなスイッチング磁界を持つ強磁性体層をピン層と呼ぶ。   A ferromagnetic layer whose magnetization is reversed by an information writing operation is called a free layer, and a ferromagnetic layer having a large switching magnetic field is called a pinned layer.

そして、フリー層とピン層の磁界を平行状態にした状態と、反平行状態にした状態と、を、それぞれ、「メモリ状態0」と「メモリ状態1」と、の一方および他方に対応付けて記憶する。平行状態を「0」、反平行状態を「1」に対応付けるのが典型的である。   Then, the state where the free layer and the pinned layer are in a parallel state and the state where the magnetic layer is in an antiparallel state are associated with one and the other of “memory state 0” and “memory state 1”, respectively. Remember. Typically, the parallel state is associated with “0” and the antiparallel state is associated with “1”.

読み出し動作は、磁気抵抗効果、すなわち、2つの磁性体の相対磁化の違いによる抵抗差を利用することで、行われる。磁界が平行状態の場合と反平行状態の場合とでは、抵抗値が異なるのである。   The read operation is performed by using the magnetoresistance effect, that is, the resistance difference due to the difference in relative magnetization between the two magnetic bodies. The resistance value differs between when the magnetic field is in a parallel state and when it is in an antiparallel state.

一方、書き込み動作は、メモリビットの上下に配置された書き込み線(ワード線、ビット線)を流れる電流から発生された磁界によって、フリー層の磁化反転を生じさせて行う技術が提案されている。   On the other hand, a technique has been proposed in which the write operation is performed by causing magnetization reversal of the free layer by a magnetic field generated from a current flowing through write lines (word lines, bit lines) arranged above and below the memory bit.

しかしながら、電流磁界を用いた書き込み方式では、MRAMの大容量化が困難である。その理由は大別して以下の2つである。   However, it is difficult to increase the capacity of the MRAM by the writing method using the current magnetic field. The reasons are roughly divided into the following two.

第1に、情報書き込み、すなわち、フリー層の磁化反転に必要とされる磁界の大きさは、磁性体のサイズの減少に伴い大きく増加するため、電流密度を高くしなければならない。   First, since the magnitude of the magnetic field required for information writing, that is, the magnetization reversal of the free layer greatly increases as the size of the magnetic material decreases, the current density must be increased.

第2に、MRAMの大容量化のためには、メモリビットと共に配線幅も微細化する必要があり、書き込み動作において必要とされる電流密度は大きく増加する。   Second, in order to increase the capacity of the MRAM, it is necessary to reduce the wiring width as well as the memory bit, and the current density required in the write operation greatly increases.

そして、電流密度が高くなると、断線やエレクトロマイグレーション等が生じ、メモリ素子の信頼性が著しく劣化してしまう。   When the current density increases, disconnection, electromigration, and the like occur, and the reliability of the memory element is significantly deteriorated.

この問題を解決しようとする技術は、後に掲げる特許文献1〜特許文献4に提案されている。   Techniques for solving this problem are proposed in Patent Documents 1 to 4 listed below.

ここで、特許文献1には、スピントルクによる磁化反転方法が提案されている。この手法では、フリー層に外部からスピン偏極電子を注入し、注入されたスピンとフリー層の磁化モーメントとの間の角運動量の授受により、フリー層の磁化を反転させる。   Here, Patent Document 1 proposes a magnetization reversal method using spin torque. In this method, spin-polarized electrons are injected from the outside into the free layer, and the magnetization of the free layer is reversed by transferring angular momentum between the injected spin and the magnetization moment of the free layer.

ある臨界電流密度以上の電流量を、ピン層からフリー層に流せば、反平行状態にすることができ、フリー層からピン層に流せば、平行状態にすることができるのである。   If a current amount of a certain critical current density or more flows from the pinned layer to the free layer, the antiparallel state can be obtained, and if it flows from the free layer to the pinned layer, the parallel state can be obtained.

この手法を用いて素子の微細化を試みようとした場合、メモリビットの微細化をすることで、フリー層に流れる電流密度は増加する。これを全体で見れば、書き込みに必要とされる電流量が減少することになるので、大容量化に向けたスケーリングが成り立ち、大容量MRAMの実現に有利な手法と考えられている。   When attempting to miniaturize an element using this technique, the current density flowing in the free layer increases by miniaturizing the memory bit. If this is viewed as a whole, the amount of current required for writing is reduced, so that scaling for large capacity is established, and it is considered an advantageous technique for realizing a large capacity MRAM.

そこで、当該技術をベースに、さまざまな工夫が提案されている。   Various ideas have been proposed based on this technology.

たとえば、トンネル磁気抵抗(TMR;Tunnel Magneto-Resistance)素子は、大きな磁気抵抗効果を有することから、MRAMのメモリビットとして利用しようとする試みがある。TMR素子は、フリー層、ピン層、および、両者に挟まれた数nm程度の誘電体層から構成される。   For example, a tunnel magnetoresistive (TMR) element has a large magnetoresistive effect, so there is an attempt to use it as a memory bit of MRAM. The TMR element is composed of a free layer, a pinned layer, and a dielectric layer of about several nanometers sandwiched between them.

ここで、スピントルクによる磁化反転を引き起こすためには、通常107A/cm2程度のスピン電流密度が必要である。 Here, in order to cause magnetization reversal due to spin torque, a spin current density of about 10 7 A / cm 2 is usually required.

ところが、このような大電流をTMR素子に流した場合、極薄誘電体層の絶縁破壊あるいは膜質の劣化が問題となる。劣化および断線により磁気抵抗効果の大きさに素子間のばらつきが生じれば、メモリ素子としての信頼性は大きく失われる。   However, when such a large current is passed through the TMR element, the dielectric breakdown of the ultrathin dielectric layer or the deterioration of the film quality becomes a problem. If there is variation between elements in the magnitude of the magnetoresistive effect due to deterioration and disconnection, the reliability as a memory element is greatly lost.

特許文献2に開示される技術においては、読み出し用の配線と書き込み用の配線が区別されており、TMR素子の絶縁破壊の問題を解決しようとしている。   In the technique disclosed in Patent Document 2, the wiring for reading and the wiring for writing are distinguished, and an attempt is made to solve the problem of dielectric breakdown of the TMR element.

しかしながら、スピン注入においてフリー層の一部にしか電流が流れず、フリー層の磁化に均一なスピントルクが発生されないために、マグノン等の発生から不均一な磁化反転が懸念される。   However, since current flows only in a part of the free layer in spin injection, and uniform spin torque is not generated in the magnetization of the free layer, there is a concern about non-uniform magnetization reversal due to generation of magnon or the like.

一方、特許文献3に開示される技術においても、読み出し用の配線と書き込み用の配線が区別されており、TMR素子の絶縁破壊の問題を解決しようとしている。   On the other hand, in the technique disclosed in Patent Document 3, the wiring for reading and the wiring for writing are distinguished, and an attempt is made to solve the problem of dielectric breakdown of the TMR element.

しかしながら、書き込み動作において、反平行な2つの固定強磁性体層間に電流を流していることから、スピントルクによりそれら固定強磁性体層の磁化反転が懸念される。   However, since a current flows between two antiparallel parallel fixed ferromagnetic layers in the write operation, there is a concern about magnetization reversal of the fixed ferromagnetic layers due to spin torque.

さらに、特許文献4に開示される技術においては、スピン流を用い、読み出し用の配線と書き込み用の配線を区別することで安定な書き込み動作を実現しようとしている。   Furthermore, in the technique disclosed in Patent Document 4, a stable write operation is attempted to be realized by using a spin current and distinguishing between a read wiring and a write wiring.

しかしながら、読み出し動作においては、フリー層とピン層間に厚い非磁性体層が挟み込まれていることから磁気抵抗効果は大きく減少し、読み出しに必要な十分な信号を得ることはできない。非磁性体層を薄くした場合、書き込みのために大電流を流すために素子破壊が懸念される。   However, in the read operation, since the thick non-magnetic layer is sandwiched between the free layer and the pin layer, the magnetoresistive effect is greatly reduced, and a sufficient signal necessary for reading cannot be obtained. When the nonmagnetic layer is made thin, a large current flows for writing, so there is a concern about element destruction.

米国特許第5,695,864号公報US Pat. No. 5,695,864 特開2005−116888号公報JP-A-2005-116888 特開2006−156477号公報JP 2006-156477 A 特開2008−171945号公報JP 2008-171945 A

本発明は、上記のような課題を解決しようとするものであり、スピン流を利用した磁化反転機構を利用しつつ、書き込み時の電流による素子の劣化や破壊を抑制し、読み出しを高速化したメモリセル、ならびに、磁気メモリ素子を提供することを目的とする。   The present invention is intended to solve the above-described problems, and while using a magnetization reversal mechanism using a spin current, device deterioration and destruction due to a current during writing are suppressed, and reading speed is increased. An object is to provide a memory cell and a magnetic memory element.

本発明の第1の観点に係るメモリセルは、平面状の非磁性体層と、非磁性体層の表面に設置され、磁化の向きが固定された強磁性体からなる強磁性体層と、非磁性体層の表面に設置され、磁化の向きが可変である強磁性体からなるフリー層と、を備える。   A memory cell according to a first aspect of the present invention includes a planar nonmagnetic material layer, a ferromagnetic material layer that is provided on the surface of the nonmagnetic material layer and is made of a ferromagnetic material having a fixed magnetization direction, A free layer made of a ferromagnetic material that is provided on the surface of the nonmagnetic material layer and whose magnetization direction is variable.

ここで、非磁性体層と、強磁性体層と、の間を流れる電流の向きを変化させて、非磁性体層と強磁性体層の間を流れるスピン流のスピン量子化軸を変えることで、フリー層の磁化の向きを変化させ、強磁性体層の磁化の方向と、フリー層の磁化の方向と、が、略平行であるか略反平行であるかにより、情報を記憶する。   Here, by changing the direction of the current flowing between the nonmagnetic layer and the ferromagnetic layer, the spin quantization axis of the spin current flowing between the nonmagnetic layer and the ferromagnetic layer is changed. Thus, the magnetization direction of the free layer is changed, and information is stored depending on whether the magnetization direction of the ferromagnetic layer and the magnetization direction of the free layer are substantially parallel or substantially antiparallel.

また、本発明のメモリセルにおいて、強磁性体層として、磁化の向きが固定された強磁性体を、複数、非磁性体層の表面の異なる位置に設置するように構成することができる。   Further, in the memory cell of the present invention, as the ferromagnetic layer, a plurality of ferromagnetic materials whose magnetization directions are fixed can be provided at different positions on the surface of the nonmagnetic layer.

また、本発明のメモリセルにおいて、フリー層をなす強磁性体は、少なくとも1つの磁性体材料を含む合金もしくは化合物であるように構成することができる。   In the memory cell of the present invention, the ferromagnetic material forming the free layer can be configured to be an alloy or a compound containing at least one magnetic material.

また、本発明のメモリセルにおいて、フリー層と、非磁性体からなる中間層と、磁化の向きが強磁性体層と平行に固定された強磁性体からなるピン層と、が積層され、フリー層と、ピン層と、の磁化の方向の差異をトンネル磁気抵抗効果により検出して、フリー層に記憶された情報を読み出すように構成することができる。   In the memory cell of the present invention, a free layer, an intermediate layer made of a non-magnetic material, and a pinned layer made of a ferromagnetic material whose magnetization direction is fixed in parallel to the ferromagnetic material layer are laminated. A difference in magnetization direction between the layer and the pinned layer can be detected by the tunnel magnetoresistive effect, and information stored in the free layer can be read out.

また、本発明のメモリセルにおいて、非磁性体層と、フリー層と、の接触面積は2.0×104nm2以下であるように構成することができる。 In the memory cell of the present invention, the contact area between the nonmagnetic material layer and the free layer can be configured to be 2.0 × 10 4 nm 2 or less.

また、本発明のメモリセルにおいて、非磁性体層と、フリー層と、の界面は、オーミック接合されるように構成することができる。   In the memory cell of the present invention, the interface between the nonmagnetic material layer and the free layer can be configured to be ohmic-bonded.

また、本発明のメモリセルにおいて、非磁性体層はCuであるように構成することができる。   In the memory cell of the present invention, the nonmagnetic layer can be configured to be Cu.

また、本発明のメモリセルにおいて、非磁性体層はAlであるように構成することができる。   In the memory cell of the present invention, the nonmagnetic layer can be configured to be Al.

また、本発明のメモリセルにおいて、非磁性体層は半導体であるように構成することができる。   In the memory cell of the present invention, the nonmagnetic layer can be configured to be a semiconductor.

また、本発明のメモリセルにおいて、非磁性体層は超伝導体であるように構成することができる。   In the memory cell of the present invention, the nonmagnetic layer can be configured to be a superconductor.

また、本発明のメモリセルにおいて、フリー層の強磁性体はCo−Fe合金であるように構成することができる。   In the memory cell of the present invention, the ferromagnetic material of the free layer can be configured to be a Co—Fe alloy.

また、本発明のメモリセルにおいて、フリー層の強磁性体はCo−Fe−Bであるように構成することができる。   In the memory cell of the present invention, the ferromagnetic material of the free layer can be configured to be Co—Fe—B.

また、本発明のメモリセルにおいて、非磁性体層の厚さは、50nm以上であるように構成することができる。   In the memory cell of the present invention, the nonmagnetic material layer can be configured to have a thickness of 50 nm or more.

本発明のその他の観点に係る磁気メモリ素子は、上記のメモリセルを、複数、マトリックス状に配置するように構成する。   A magnetic memory element according to another aspect of the present invention is configured such that a plurality of the memory cells are arranged in a matrix.

本発明によれば、スピン流を利用した磁化反転機構を利用しつつ、書き込み時の電流による素子の劣化や破壊を抑制し、読み出しを高速化したメモリセル、ならびに、磁気メモリ素子を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a memory cell and a magnetic memory element in which the deterioration and destruction of an element due to a current during writing are suppressed and the reading speed is increased while using a magnetization reversal mechanism using a spin current. Can do.

以下に、本発明を実施するための最良の形態を説明する。なお、本発明の範囲は、以下の実施例に限定されるものではなく、本発明の原理に基づいて様々な変形が可能であり、これらの態様も本発明の範囲に含まれる。   The best mode for carrying out the present invention will be described below. Note that the scope of the present invention is not limited to the following examples, and various modifications can be made based on the principle of the present invention, and these aspects are also included in the scope of the present invention.

図1は、本発明の第1の実施の形態に係る磁気メモリ素子のメモリセルの構造を示す断面図である。以下、本図を参照して説明する。   FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a memory cell of a magnetic memory element according to the first embodiment of the present invention. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG.

メモリセル31は、平面状の非磁性体層16を有する。非磁性体層16の片面上には、書き込み用磁化固定端子1と、読み出し用磁気抵抗効果素子2と、が設置されている。   The memory cell 31 has a planar nonmagnetic layer 16. On one side of the non-magnetic layer 16, the write fixed magnetization terminal 1 and the read magnetoresistive effect element 2 are provided.

直流電流源19は、書き込み用磁化固定端子1と非磁性体層16との間に電流を流すもので、電流の向きによって、読み出し用磁気抵抗効果素子2に記憶される情報を指定する。   The direct current source 19 allows a current to flow between the write magnetization fixed terminal 1 and the nonmagnetic layer 16, and designates information stored in the read magnetoresistive element 2 according to the direction of the current.

直流電源18および電流計17は、読み出し用磁気抵抗効果素子2から情報を読み出すもので、読み出し用磁気抵抗効果素子2の磁気抵抗の大小から、記憶された情報のビット値を判別する。なお、電流計17は、一般には、所定の閾値との比較によりビット値を得る電子素子や電子回路により構成されるが、メモリセル31の性能、特にヒステリシス特性を調査する場合には、電流の大きさをそのまま測定するものを利用する。   The DC power source 18 and the ammeter 17 read information from the read magnetoresistive effect element 2 and determine the bit value of the stored information from the magnitude of the magnetoresistance of the read magnetoresistive effect element 2. The ammeter 17 is generally composed of an electronic element or an electronic circuit that obtains a bit value by comparison with a predetermined threshold value. However, when investigating the performance of the memory cell 31, particularly the hysteresis characteristic, Use the one that measures the size as it is.

書き込み用磁化固定端子1は、反強磁性体層11と強磁性体層12を積層した2層構造となっており、強磁性体層12が非磁性体層16に接している。   The writing fixed magnetization terminal 1 has a two-layer structure in which an antiferromagnetic layer 11 and a ferromagnetic layer 12 are laminated, and the ferromagnetic layer 12 is in contact with the nonmagnetic layer 16.

読み出し用磁気抵抗効果素子2は、ピン層13、非磁性中間層14、フリー層15を積層した3層構造によりTMR素子を形成しており、フリー層15が非磁性体層16に接している。   The read magnetoresistive effect element 2 has a TMR element having a three-layer structure in which a pinned layer 13, a nonmagnetic intermediate layer 14, and a free layer 15 are stacked, and the free layer 15 is in contact with the nonmagnetic layer 16. .

本図では、強磁性体層12およびフリー層15を、非磁性体層16の表面に直接に設置しているが、間に薄い誘電体層を挿入して、スピン注入効率を向上させることも可能である。   In this figure, the ferromagnetic layer 12 and the free layer 15 are disposed directly on the surface of the nonmagnetic layer 16, but a thin dielectric layer may be inserted between them to improve the spin injection efficiency. Is possible.

また、フリー層15と非磁性体層16間に、接触抵抗が小さいオーミック接合を利用すると、フリー層15内に効率的にスピン流を吸収させ、スピントルク磁化反転を生じさせることが可能である。   In addition, when an ohmic junction having a small contact resistance is used between the free layer 15 and the nonmagnetic layer 16, it is possible to efficiently absorb the spin current in the free layer 15 and cause the spin torque magnetization reversal. .

書き込み用磁化固定端子1の磁化方向は、十分に高い熱安定性を有し、一方向に強く固定する必要がある。本例では、反強磁性体層11と強磁性体層12を積層させることで、強磁性体層12の磁化方向を強く固定している。   The magnetization direction of the magnetization fixed terminal 1 for writing has sufficiently high thermal stability and needs to be strongly fixed in one direction. In this example, the magnetization direction of the ferromagnetic layer 12 is strongly fixed by laminating the antiferromagnetic layer 11 and the ferromagnetic layer 12.

そのような強磁性体層12に用いる材料は、Ni、Fe、Coおよびその合金、Co−Fe−B等のアモルファス材料、Co−Mn−SiやCo−Cr−Fe−Al等のホイスラー材料、GaMnAs等の強磁性半導体材料等から選ぶことができる。   Materials used for the ferromagnetic layer 12 include Ni, Fe, Co and alloys thereof, amorphous materials such as Co-Fe-B, Heusler materials such as Co-Mn-Si and Co-Cr-Fe-Al, It can be selected from ferromagnetic semiconductor materials such as GaMnAs.

強磁性体層12は、これらの中から1つを選んで薄膜とするか、複数を選んで多層膜とすることで構成される。   The ferromagnetic layer 12 is configured by selecting one of these as a thin film, or selecting a plurality of them as a multilayer film.

なお、強磁性体層12の端部からの漏洩磁界を抑制するには、強磁性体層12にシンセシックアンチフェロマグネット構造、すなわち、強磁性体層、非磁性体層、強磁性体層を順に重ねた構造を用いることが望ましい。   In order to suppress the leakage magnetic field from the end of the ferromagnetic layer 12, a synthetic antiferromagnetic structure, that is, a ferromagnetic layer, a nonmagnetic layer, and a ferromagnetic layer are formed on the ferromagnetic layer 12. It is desirable to use a stacked structure in order.

また、反強磁性体層11に用いる材料は、Ir−Mn、Pt−Mn、Fe−Mn、Ni−O、Co−O等から選ぶことができる。   The material used for the antiferromagnetic material layer 11 can be selected from Ir—Mn, Pt—Mn, Fe—Mn, Ni—O, Co—O, and the like.

なお、強磁性体層12として、L10構造を有したFe−Pd、Fe−Pt、Co−Pt等の強い磁気異方性を持つ強磁性体材料を用いた場合には、反強磁性体層11を省いて書き込み用磁化固定端子1を構成することもできる。   When a ferromagnetic material having strong magnetic anisotropy such as Fe-Pd, Fe-Pt, Co-Pt or the like having an L10 structure is used as the ferromagnetic layer 12, an antiferromagnetic layer is used. It is also possible to configure the write fixed magnetization terminal 1 by omitting 11.

一方、読み出し用磁気抵抗効果素子2としては、異方性磁気抵抗効果素子、巨大磁気抵抗効果素子、TMR素子等を用いることができるが、読み出し信号の大きさは、素子の読み出し速度に影響するために、できるだけ大きいことが望ましい。この場合、本図に示すようなTMR素子が好適である。   On the other hand, as the magnetoresistive effect element 2 for reading, an anisotropic magnetoresistive effect element, a giant magnetoresistive effect element, a TMR element, or the like can be used, but the magnitude of the read signal affects the read speed of the element. Therefore, it is desirable to be as large as possible. In this case, a TMR element as shown in FIG.

本図に示す読み出し用磁気抵抗効果素子2においては、フリー層15とピン層13の磁化の相対角度に依存して、磁気抵抗が変化する。したがって、情報の書き込みの際には、磁化の相対角度を設定するビット値を表し、読み出しの際には、磁気抵抗の値によって、ビット値を得ることになる。   In the read magnetoresistive effect element 2 shown in this figure, the magnetoresistance changes depending on the relative angle of magnetization of the free layer 15 and the pinned layer 13. Therefore, when writing information, it represents a bit value that sets the relative angle of magnetization, and when reading, the bit value is obtained based on the value of the magnetoresistance.

ここで、フリー層15は、メモリ状態を維持するため、十分な熱安定性を有する必要があり、磁化方向を基準方向に対して平行ならびに反平行にする必要があることから、一軸磁気異方性を有したものを用いる必要がある。   Here, the free layer 15 needs to have sufficient thermal stability in order to maintain the memory state, and the magnetization direction needs to be parallel and anti-parallel to the reference direction. It is necessary to use the one having the property.

このためには、一軸磁気異方性が高い材料を採用するか、素子形状に一軸異方性を付与すればよい。たとえば、素子の長さと幅の比率を表すアスペクト比が大きな長方形や楕円形の形状として、以下に掲げる材料を利用すれば、一軸磁気異方性を得ることができる。   For this purpose, a material having high uniaxial magnetic anisotropy may be employed, or uniaxial anisotropy may be imparted to the element shape. For example, uniaxial magnetic anisotropy can be obtained by using the following materials as rectangular or elliptical shapes having a large aspect ratio representing the ratio between the length and width of the element.

フリー層15に用いる材料としては、Ni、Fe、Coおよびその合金、Co−Fe−B等のアモルファス材料、Co−Mn−SiやCo−Cr−Fe−Al等のホイスラー材料、GaMnAs等の強磁性半導体材料、Fe−Pd、Fe−Pt、Co−Pt等のL10構造合金などが利用できる。 Materials used for the free layer 15 include Ni, Fe, Co and alloys thereof, amorphous materials such as Co—Fe—B, Heusler materials such as Co—Mn—Si and Co—Cr—Fe—Al, and strong materials such as GaMnAs. magnetic semiconductor material, Fe-Pd, Fe-Pt , etc. L1 0 structure alloy such as Co-Pt can be used.

なお、磁気特性や化学特性を制御するために、Ti、V、Cr、Mn、Cu、Zn、B、Al、Ga、C、Si、Ge、Sn、N、P、Sb、O、S、Mo、Ru、Ag、Hf、Ta、W、Ir、Pt、Au等の非磁性元素を適宜添加しても良い。   In order to control magnetic properties and chemical properties, Ti, V, Cr, Mn, Cu, Zn, B, Al, Ga, C, Si, Ge, Sn, N, P, Sb, O, S, Mo , Ru, Ag, Hf, Ta, W, Ir, Pt, Au, and other nonmagnetic elements may be added as appropriate.

また、フリー層15は、上記の中から1種を選んで強磁性体薄膜としても良いし、複数を選んで多層薄膜として構成しても良い。   Further, the free layer 15 may be selected from the above to be a ferromagnetic thin film, or a plurality of free layers 15 may be configured as a multilayer thin film.

なお、フリー層15の膜厚は、読み出し時のノイズや磁気特性を考慮すると、2nm以上が望ましい。   The film thickness of the free layer 15 is preferably 2 nm or more in consideration of noise and magnetic characteristics at the time of reading.

一方、ピン層13は、基準となる磁化方向を定めるものであるから、フリー層15よりも高い磁気安定性(保磁力)と高い熱安定を有する必要がある。   On the other hand, the pinned layer 13 determines the reference magnetization direction, and therefore needs to have higher magnetic stability (coercive force) and higher thermal stability than the free layer 15.

たとえば、フリー層15よりも膜厚を厚くしたり、反強磁性体との積層膜構造を採用して交換相互作用を利用すれば、保磁力や熱安定性を高めることができる。   For example, the coercive force and the thermal stability can be improved by making the film thickness thicker than that of the free layer 15 or adopting a laminated film structure with an antiferromagnetic material and utilizing exchange interaction.

ピン層13の材料としては、Ni、Fe、Coおよびその合金、Co−Fe−B等のアモルファス材料、Co−Mn−SiやCo−Cr−Fe−Al等のホイスラー材料、Fe−Pd、Fe−Pt、Co−Pt等のL10構造合金などを利用することができる。 As the material of the pinned layer 13, Ni, Fe, Co and alloys thereof, amorphous materials such as Co-Fe-B, Heusler materials such as Co-Mn-Si and Co-Cr-Fe-Al, Fe-Pd, Fe -pt, it can be utilized such as L1 0 structure alloy such as Co-Pt.

また、磁気特性や化学特性を制御するために、Ti、V、Cr、Mn、Cu、Zn、B、Al、Ga、C、Si、Ge、Sn、N、P、Sb、O、S、Mo、Ru、Ag、Hf、Ta、W、Ir、Pt、Au等の非磁性元素を適宜添加できる。   Moreover, in order to control magnetic characteristics and chemical characteristics, Ti, V, Cr, Mn, Cu, Zn, B, Al, Ga, C, Si, Ge, Sn, N, P, Sb, O, S, Mo , Ru, Ag, Hf, Ta, W, Ir, Pt, Au, and other nonmagnetic elements can be added as appropriate.

また、ピン層13は、上記の中から1種を選んで強磁性体薄膜としても良いし、複数を選んで多層薄膜として構成しても良い。   In addition, the pinned layer 13 may be selected from the above to be a ferromagnetic thin film, or a plurality of pinned layers 13 may be configured as a multilayer thin film.

本図に示すように、読み出し用磁気抵抗効果素子2としてTMR素子を採用した場合、非磁性中間層14として、SiO2、Al23、MgO、SiN、AlN、BaF2、MgF2、CaF2、ZnO、TiO2、Si、Ge、GaAs、ZnS、ZnSe等の絶縁体、半導体を用いることができる。 As shown in the figure, in the case of adopting the TMR element as a magneto-resistance effect element 2 for reading a non-magnetic intermediate layer 14, SiO 2, Al 2 O 3, MgO, SiN, AlN, BaF 2, MgF 2, CaF 2 , insulators such as ZnO, TiO 2 , Si, Ge, GaAs, ZnS, and ZnSe, and semiconductors can be used.

膜厚はトンネル電流が流れる程度に薄くする必要があるため、5nm以下が望ましい。   Since the film thickness needs to be thin enough to allow tunneling current to flow, it is preferably 5 nm or less.

非磁性体層16からフリー層15の中へ均一にスピン流を吸収させるためには、両者の接触界面は、2.0×104nm2以下であることが望ましい。 In order to uniformly absorb the spin current from the nonmagnetic material layer 16 into the free layer 15, it is desirable that the contact interface between them is 2.0 × 10 4 nm 2 or less.

書き込み用磁化固定端子1と読み出し用磁気抵抗効果素子2の距離は、非磁性体のスピン緩和長以下にする必要がある。たとえば、室温では、Cuの場合は500nm程度、Auの場合は50nm程度、Alの場合600nm程度である。   The distance between the magnetization fixed terminal 1 for writing and the magnetoresistive effect element 2 for reading needs to be less than or equal to the spin relaxation length of the nonmagnetic material. For example, at room temperature, Cu is about 500 nm, Au is about 50 nm, and Al is about 600 nm.

書き込み用磁化固定端子1から非磁性体層16に蓄積されたスピンを、読み出し用磁気抵抗効果素子2内のフリー層15に効率よく流すためには、非磁性体層16はスピン緩和長の長い材料が望ましい。たとえば、金属の場合はAl、Cu、Agである。半導体や超電導体は、金属よりも長いスピン緩和長を有するので、より一層好適である。   In order to efficiently flow the spin accumulated in the nonmagnetic material layer 16 from the write magnetization fixed terminal 1 to the free layer 15 in the read magnetoresistive element 2, the nonmagnetic material layer 16 has a long spin relaxation length. Material is desirable. For example, in the case of a metal, it is Al, Cu, or Ag. Semiconductors and superconductors are more suitable because they have a longer spin relaxation length than metals.

また、上記のように、フリー層15と非磁性体層16をオーミック接合とした場合、非磁性層に蓄積されたスピンをフリー層内に効率的に吸収するために、非磁性体層16に接触するフリー層15はスピン抵抗の小さい材料が望ましい。スピン抵抗RSは、以下のように表記できる。
RS = λSF/〔σS(1-P2)〕
Further, as described above, when the free layer 15 and the nonmagnetic material layer 16 are in ohmic contact, the nonmagnetic material layer 16 has a structure in order to efficiently absorb the spin accumulated in the nonmagnetic material into the free layer. The contact free layer 15 is preferably made of a material having a low spin resistance. The spin resistance R S can be expressed as follows.
R S = λ SF / (σS (1-P 2 ))

ここで、λSFは強磁性体中のスピン拡散長、σは電気伝導率、Sは強磁性体層と非磁性層の接触面積、Pはスピン編極率である。 Here, λ SF is the spin diffusion length in the ferromagnetic material, σ is the electrical conductivity, S is the contact area between the ferromagnetic layer and the nonmagnetic layer, and P is the spin polarization rate.

たとえば、接触面積を100×100nm2とした場合、スピン抵抗は、Ni−Fe合金においてRS=0.15Ω、CoにおいてRS=0.46Ωとなる。 For example, when the contact area and 100 × 100 nm 2, spin resistance becomes R S = 0.46Ω in Ni-Fe alloy R S = 0.15Ω, the Co.

一般的に、合金の方が単体金属よりもスピン抵抗が小さいことから、非磁性体層16上のフリー層15の強磁性体はNi−FeやCo−Fe等の合金やCo−Fe−B等の化合物が望ましい。   In general, since an alloy has a lower spin resistance than a single metal, the ferromagnetic material of the free layer 15 on the nonmagnetic material layer 16 is an alloy such as Ni—Fe or Co—Fe or Co—Fe—B. Are desirable.

また、安定なスピントルク磁化反転を実現するために、強磁性体層12の体積は、非磁性体層16と接触するフリー層15を構成する強磁性体の体積よりも大きいことが望ましい。   In order to realize stable spin torque magnetization reversal, the volume of the ferromagnetic layer 12 is desirably larger than the volume of the ferromagnetic material constituting the free layer 15 in contact with the nonmagnetic layer 16.

さらに、非磁性体層16の厚さは、非磁性体層16の表面または底面におけるスピン散乱を低減させる目的から、50nm以上とすることが望ましい。   Furthermore, the thickness of the nonmagnetic material layer 16 is desirably 50 nm or more for the purpose of reducing spin scattering on the surface or bottom surface of the nonmagnetic material layer 16.

図2Aおよび図2Bは、メモリセル31において生じるスピン流によるスピントルク磁化反転の動作を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。   2A and 2B are explanatory views showing the operation of spin torque magnetization reversal by the spin current generated in the memory cell 31. FIG. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG.

両図において、強磁性体層12、ピン層13、フリー層15内の矢印は磁化の方向を表している。ここで、強磁性体層12とピン層13の磁化の方向は、同じ方向である。   In both figures, the arrows in the ferromagnetic layer 12, the pinned layer 13, and the free layer 15 indicate the directions of magnetization. Here, the magnetization directions of the ferromagnetic layer 12 and the pinned layer 13 are the same.

図2Aでは、非磁性体層16から書き込み用磁化固定端子1に電流Iを流しており、電子は、書き込み用磁化固定端子1から非磁性体層16へ移動する。   In FIG. 2A, a current I flows from the nonmagnetic layer 16 to the write magnetization fixed terminal 1, and electrons move from the write magnetization fixed terminal 1 to the nonmagnetic layer 16.

すると、強磁性体層12の多数スピンが非磁性体層16に注入・蓄積される。その後、多数スピンはスピン量子化軸を保ちながらフリー層15内に進入し、一定量以上のスピンがフリー層15内に流れ込むと、そのトルクによって、フリー層15の磁化がスピン量子化軸と同じ方向に揃えられる。   Then, many spins of the ferromagnetic layer 12 are injected and accumulated in the nonmagnetic layer 16. Thereafter, a large number of spins enter the free layer 15 while maintaining the spin quantization axis, and when a certain amount or more of spins flow into the free layer 15, the magnetization of the free layer 15 is the same as the spin quantization axis due to the torque. Aligned in the direction.

一方、図2Bでは、図2Aとは逆に、書き込み用磁化固定端子1から非磁性体層16に電流Iを流しており、電子は、非磁性体層16から書き込み用磁化固定端子1へ移動する。   On the other hand, in FIG. 2B, contrary to FIG. 2A, a current I flows from the write magnetization fixed terminal 1 to the nonmagnetic layer 16, and electrons move from the nonmagnetic layer 16 to the write magnetization fixed terminal 1. To do.

すると、強磁性体層12の多数スピンと同方向の電子が非磁性体層16から強磁性体層12へ吸収されるため、非磁性体層16内には強磁性体層12と逆向きのスピン量子化軸をもつ電子が蓄積されることになる。   Then, electrons in the same direction as many spins of the ferromagnetic layer 12 are absorbed from the nonmagnetic layer 16 to the ferromagnetic layer 12, so that the nonmagnetic layer 16 has a direction opposite to that of the ferromagnetic layer 12. Electrons having a spin quantization axis are accumulated.

蓄積された電子は、フリー層15に吸収され、ある一定以上の電子が非磁性体層16からフリー層15内に流れ込むことにより、フリー層15の磁化方向はスピントルク磁化反転によって、強磁性体層12と反平行状態となる。   The accumulated electrons are absorbed by the free layer 15, and a certain amount or more of electrons flow into the free layer 15 from the nonmagnetic material layer 16, so that the magnetization direction of the free layer 15 is changed to a ferromagnetic material by spin torque magnetization reversal. It is in an antiparallel state with the layer 12.

このように、本実施形態では、書き込み用磁化固定端子1に流れる電流の極性を変えることで、フリー層15の磁化の向きを制御することが可能である。   As described above, in this embodiment, it is possible to control the magnetization direction of the free layer 15 by changing the polarity of the current flowing through the write magnetization fixed terminal 1.

一方、フリー層15の磁化の向きは、読み出し用磁気抵抗効果素子2内のフリー層15とピン層13の磁化の相対向きとして読み出すことができる。このため、上記のように、強磁性体層12とピン層13の磁化方向はあらかじめ磁場により同じ向きに揃えておく。   On the other hand, the direction of magnetization of the free layer 15 can be read as the relative direction of magnetization of the free layer 15 and the pinned layer 13 in the read magnetoresistive element 2. For this reason, as described above, the magnetization directions of the ferromagnetic layer 12 and the pinned layer 13 are aligned in advance by the magnetic field.

フリー層15とピン層13の磁化の方向が、反平行状態の時は高抵抗となり、平行状態の時は低抵抗となる。典型的には、前者を「1」に、後者を「0」に、それぞれ対応付ける。   When the magnetization directions of the free layer 15 and the pinned layer 13 are in an antiparallel state, the resistance is high, and when the direction is parallel, the resistance is low. Typically, the former is associated with “1” and the latter is associated with “0”.

上記のように、書き込み動作時においては、読み出し用磁気抵抗効果素子2に電荷電子流が流れない。したがって、低抵抗化の必要がない。また、TMR素子を採用する場合、高い磁気抵抗比を実現するためには、高抵抗の方が望ましい。この場合、十分な出力電圧を確保することができるようになる、という利点もある。   As described above, the charge electron flow does not flow through the read magnetoresistive element 2 during the write operation. Therefore, it is not necessary to reduce the resistance. Further, when a TMR element is employed, a high resistance is desirable in order to realize a high magnetoresistance ratio. In this case, there is also an advantage that a sufficient output voltage can be secured.

以下では、上記の原理に基づいて試作したメモリセル31の詳細について説明する。   Hereinafter, the details of the memory cell 31 that is experimentally manufactured based on the above principle will be described.

電子ビーム描画装置および薄膜製造装置により、幅170nm、膜厚65nmのCu細線を作製した(非磁性体層16に相当)。   A Cu thin wire having a width of 170 nm and a film thickness of 65 nm was produced by an electron beam lithography apparatus and a thin film manufacturing apparatus (corresponding to the nonmagnetic layer 16).

このCu細線上に、大きさ170×75nm2、厚さ20nmのNi−Fe合金構造体を作成した(書き込み用磁化固定端子1の強磁性体層12に相当。) A Ni—Fe alloy structure having a size of 170 × 75 nm 2 and a thickness of 20 nm was formed on this Cu wire (corresponding to the ferromagnetic layer 12 of the magnetization fixed terminal 1 for writing).

また、このCu細線上に、大きさ150×75nm2、厚さ20nmのNi−Fe合金構造体を作成した(読み出し用磁気抵抗効果素子2のフリー層15に相当)。 Further, a Ni—Fe alloy structure having a size of 150 × 75 nm 2 and a thickness of 20 nm was formed on this Cu thin wire (corresponding to the free layer 15 of the magnetoresistive effect element 2 for reading).

これら2つのNi−Fe合金構造体の中心間距離は400nmとした。   The center-to-center distance between these two Ni—Fe alloy structures was 400 nm.

そして、非局所測定法を用い、Cu非磁性層中のスピン蓄積効果を確認した。   And the spin accumulation effect in Cu nonmagnetic layer was confirmed using the nonlocal measurement method.

これら2つのNi−Fe合金構造体の磁化が平行状態の時と反平行状態と時との抵抗差は2mΩ程度であり、この抵抗差をスピン信号とすることが可能である。   The resistance difference between the two Ni—Fe alloy structures when the magnetization is in the parallel state and the antiparallel state is about 2 mΩ, and this resistance difference can be used as a spin signal.

図3は、実験によって得られたスピントルク磁化反転の様子を示すヒステリシスを描いたグラフである。以下、本図を参照して説明する。   FIG. 3 is a graph depicting hysteresis showing the state of spin torque magnetization reversal obtained by experiment. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG.

本図においては、電流がNi−Fe合金構造体からCu非磁性層へ流れる場合の方向を正とし、その逆向きを負としており、直流電流源として100μs幅のパルス電流を利用して、パルスの印加後、交流ロックインを用いた非局所測定で、これら2つのNi−Fe合金構造体の磁化状態の検出を行った。非局所測定法では、2つの強磁性体が平行状態の時に高抵抗、反平行状態の時に低抵抗状態を示す。   In this figure, the direction in which the current flows from the Ni—Fe alloy structure to the Cu nonmagnetic layer is positive, the reverse direction is negative, and a pulse current having a width of 100 μs is used as a direct current source. After the application, the magnetization state of these two Ni—Fe alloy structures was detected by non-local measurement using AC lock-in. In the non-local measurement method, a high resistance state is exhibited when two ferromagnetic materials are in a parallel state, and a low resistance state is exhibited when the two ferromagnetic materials are in an antiparallel state.

まず、外部磁場を素子に印加し、両Ni−Fe合金構造体の磁化を平行状態とし、その後、正方向の電流の大きさを次第に増加させた。すると、約5mAのところでフリー層15が磁化反転する様子が観測された。   First, an external magnetic field was applied to the element, the magnetizations of both Ni—Fe alloy structures were made parallel, and then the magnitude of the current in the positive direction was gradually increased. Then, it was observed that the magnetization of the free layer 15 was reversed at about 5 mA.

続いて、直流電流を正方向から負方向へと反対させると、約−3mAのところでフリー層15が磁化反転する様子が観測された。   Subsequently, when the direct current was reversed from the positive direction to the negative direction, it was observed that the magnetization of the free layer 15 was reversed at about -3 mA.

今回の実験では、フリー層15の熱安定を十二分に維持する目的から膜厚を20nmとしたために、平行状態から完全な反平行状態へのスピントルク磁化反転は行われていないが、フリー層15の膜厚をより薄くする等の手法により、平行状態から反平行状態への完全なスピントルク磁化反転も可能である。   In this experiment, the spin torque magnetization reversal from the parallel state to the complete anti-parallel state was not performed because the film thickness was set to 20 nm for the purpose of sufficiently maintaining the thermal stability of the free layer 15. A complete spin torque magnetization reversal from the parallel state to the anti-parallel state is also possible by a method such as making the layer 15 thinner.

なお、これより短いパルスを利用してもスピントルク磁化反転は可能であることがわかっている。   It has been found that spin torque magnetization reversal is possible even with shorter pulses.

図4は、本発明の第2の実施形態に係る磁気メモリ素子のメモリセルの構造を示す断面図である。以下、本図を参照して説明する。なお、図1に示す実施形態と同様の部分については、適宜説明を省略する。   FIG. 4 is a cross-sectional view showing the structure of the memory cell of the magnetic memory element according to the second embodiment of the present invention. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG. The description of the same parts as those in the embodiment shown in FIG. 1 will be omitted as appropriate.

メモリセル51は、非磁性体層16を有する。非磁性体層16の表面上には、実施例1と同様に、書き込み用磁化固定端子1および読み出し用磁気抵抗効果素子2が設置されているほか、さらに、書き込み用磁化固定端子3が設置されている。   The memory cell 51 has a nonmagnetic layer 16. On the surface of the nonmagnetic material layer 16, similarly to the first embodiment, the write magnetization fixed terminal 1 and the read magnetoresistive effect element 2 are installed, and further, the write magnetization fixed terminal 3 is installed. ing.

書き込み用磁化固定端子3は、書き込み用磁化固定端子1と同様に、反磁性体層20と強磁性体層21を積層した2層構造となっており、強磁性体層21が非磁性体層16に接している。   Similar to the write magnetization fixed terminal 1, the write magnetization fixed terminal 3 has a two-layer structure in which a diamagnetic layer 20 and a ferromagnetic layer 21 are stacked, and the ferromagnetic layer 21 is a nonmagnetic layer. 16 is in contact.

書き込み用磁化固定端子1および書き込み用磁化固定端子3の構成、素材、接合の手法等は、実施例1と同様にすることができる。ここで、両者が有する強磁性体層12および強磁性体層21の磁化方向は、同じ向きとする。   The configuration, material, bonding method, and the like of the write magnetization fixed terminal 1 and the write magnetization fixed terminal 3 can be the same as those in the first embodiment. Here, the magnetization directions of the ferromagnetic layer 12 and the ferromagnetic layer 21 included in both are the same.

読み出し用磁気抵抗効果素子2の構成、素材、接合の手法等も、実施例1と同様にするのが典型的である。   The configuration, material, joining method, etc. of the magnetoresistive effect element 2 for reading are typically the same as in the first embodiment.

メモリセル51では、2つの書き込み用磁化固定端子1、3により、スピン注入を行う。   In the memory cell 51, spin injection is performed by the two write fixed magnetization terminals 1 and 3.

非磁性体層16から書き込み用磁化固定端子1および書き込み用磁化固定端子3に電流を流すと、強磁性体層12および強磁性体層21の多数スピンが非磁性体層16に注入・蓄積される。強磁性体層12および強磁性体層21は、上記のように、同じ磁化の向きを有しているので、両者から注入される多数スピンの方向は共通である。   When a current is passed from the nonmagnetic layer 16 to the write magnetization fixed terminal 1 and the write magnetization fixed terminal 3, a large number of spins of the ferromagnetic layer 12 and the ferromagnetic layer 21 are injected and accumulated in the nonmagnetic layer 16. The Since the ferromagnetic layer 12 and the ferromagnetic layer 21 have the same magnetization direction as described above, the directions of the majority spins injected from both are the same.

このように、1つの読み出し用磁気抵抗効果素子に対する書き込み用磁化固定端子の数は、本実施例のように2個とするほか、さらに数を増やしても良い。このような構成を採用すると、同じ電圧を印加した場合でも、非磁性体層16中の多数スピン蓄積量を実施例1に比べて、増やすことができるため、フリー層15の中へ流入するスピン注入量も増加する。   In this way, the number of write fixed magnetization terminals for one read magnetoresistive effect element is two as in this embodiment, and the number may be increased further. By adopting such a configuration, even when the same voltage is applied, the number of accumulated spins in the nonmagnetic material layer 16 can be increased as compared with the first embodiment, so that spins flowing into the free layer 15 can be increased. The injection volume also increases.

上記とは逆に、書き込み用磁化固定端子1および書き込み用磁化固定端子3から非磁性体層16へ電流を流した場合、実施例1と同様に、強磁性体層12と強磁性体層21がその磁化の向きに対応するスピンの電子を受け入れるため、フリー層15からのスピン流出量は、実施例1に比べて増加することになる。   Contrary to the above, when a current is passed from the write fixed magnetization terminal 1 and the write fixed magnetization terminal 3 to the nonmagnetic layer 16, the ferromagnetic layer 12 and the ferromagnetic layer 21 are the same as in the first embodiment. Accepts spin electrons corresponding to the magnetization direction, the amount of spin outflow from the free layer 15 is increased as compared with the first embodiment.

たとえば、フリー層15におけるスピントルク磁化反転を引き起こす臨界電流が5mAの場合には、メモリセル51においては、書き込み用磁化固定端子1に2.5mA、書き込み用磁化固定端子3に2.5mAを流すことで、書き込み動作が可能となる。   For example, when the critical current causing spin torque magnetization reversal in the free layer 15 is 5 mA, in the memory cell 51, 2.5 mA is supplied to the write magnetization fixed terminal 1 and 2.5 mA is supplied to the write magnetization fixed terminal 3. Thus, a write operation can be performed.

このように、本実施形態の磁気メモリ素子においては、書き込み用磁化固定端子の数を増やすことで、素子内の配線に流れる電流が低くなり、熱やエレクトロマイグレーションによる素子劣化や破壊の問題を抑制することができ、メモリ素子の信頼性が向上する。   As described above, in the magnetic memory element of this embodiment, by increasing the number of magnetization fixed terminals for writing, the current flowing through the wiring in the element is lowered, and the problem of element deterioration and destruction due to heat and electromigration is suppressed. This can improve the reliability of the memory element.

図5は、メモリセル31を利用した磁気メモリ素子の回路構成の一例を説明する説明図である。以下、本図を参照して説明する。   FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining an example of a circuit configuration of a magnetic memory element using the memory cell 31. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG.

1つのメモリビットは、メモリセル31と、FET(Field Effect Transistor)からなるセル選択用トランジスタ34により構成される。   One memory bit is composed of a memory cell 31 and a cell selection transistor 34 composed of an FET (Field Effect Transistor).

メモリセル31内の書き込み用磁化固定端子1は書き込み接続部32、読み出し用磁気抵抗効果素子2は読み出し接続部33に接続されている。   The magnetization fixed terminal 1 for writing in the memory cell 31 is connected to the writing connection portion 32, and the magnetoresistive effect element 2 for reading is connected to the reading connection portion 33.

各メモリビットはマトリックス状に配置され、書き込み接続部32は第二ビット線36に接続され、読み出し接続部33は第一ビット線35に接続されている。また、セル選択用トランジスタ34のゲートはワード線37に接続されている。   The memory bits are arranged in a matrix, the write connection unit 32 is connected to the second bit line 36, and the read connection unit 33 is connected to the first bit line 35. The gate of the cell selection transistor 34 is connected to the word line 37.

データの書き込みにおいては、まず、指定されたアドレスのメモリビットに接続されている第二ビット線36に、スピントルク磁化反転を生じるのに十分な電流をメモリセル31の書き込み用磁化固定端子1に供給できる電圧を印加する。   In writing data, first, a current sufficient to cause spin torque magnetization reversal is applied to the write magnetization fixed terminal 1 of the memory cell 31 in the second bit line 36 connected to the memory bit at the designated address. Apply a voltage that can be supplied.

次に、指定されたアドレス上のワード線37に電圧を印加する。   Next, a voltage is applied to the word line 37 on the designated address.

すると、そのアドレスのメモリセル31内に電流が流れ、注入されたスピン電子の極性に応じてフリー層15の磁化反転が行われる。   Then, a current flows in the memory cell 31 at that address, and the magnetization reversal of the free layer 15 is performed according to the polarity of the injected spin electrons.

データの読み出しにおいては、指定されたアドレスの第一ビット線35およびワード線37に電圧を印加する。   In reading data, a voltage is applied to the first bit line 35 and the word line 37 at the designated address.

すると、流れる電流からそのアドレスのメモリセル31の磁気抵抗効果の大きさを取得することができるので、データの読み出しを行うことができる。   Then, since the magnitude of the magnetoresistance effect of the memory cell 31 at the address can be acquired from the flowing current, data can be read out.

図6は、図5に示す磁気メモリ素子のメモリビットの構成を示す断面図である。以下、本図を参照して説明する。   FIG. 6 is a cross-sectional view showing the configuration of the memory bit of the magnetic memory element shown in FIG. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG.

セル選択用トランジスタ34として、Si基板上に、ソース44、ドレイン43、ゲート42からなるFETが形成してある。   As the cell selection transistor 34, an FET including a source 44, a drain 43, and a gate 42 is formed on a Si substrate.

ゲート42は、ワード線37に接続されている。ドレイン43は、接続部41を介して非磁性体層16に接続されている。   The gate 42 is connected to the word line 37. The drain 43 is connected to the nonmagnetic material layer 16 through the connection portion 41.

非磁性体層16上に形成された書き込み用磁気固定端子1および読み出し用磁気抵抗効果素子2を、それぞれ、書き込み接続部32および読み出し接続部33に接続する。書き込み接続部32上に第二ビット線36、読み出し接続部33上に第一ビット線35を形成してある。   The write magnetic fixed terminal 1 and the read magnetoresistive effect element 2 formed on the nonmagnetic layer 16 are connected to the write connection portion 32 and the read connection portion 33, respectively. A second bit line 36 is formed on the write connection portion 32, and a first bit line 35 is formed on the read connection portion 33.

このような構成とすることで、複数のメモリセル31からなる磁気メモリ素子を実現することができる。なお、本実施例では、1つのメモリセル31に対して1つの書き込み用磁気固定端子1を設置したが、実施例2のように、複数の書き込み用磁気固定端子を設置してそれぞれを第二ビット線36に接続することとしても良い。   With such a configuration, a magnetic memory element composed of a plurality of memory cells 31 can be realized. In the present embodiment, one write magnetic fixed terminal 1 is provided for one memory cell 31. However, as in the second embodiment, a plurality of write magnetic fixed terminals are provided and each of the second magnetic fixed terminals is set to the second. It may be connected to the bit line 36.

上記のように、本発明によれば、スピン流を利用した磁化反転機構を利用しつつ、書き込み時の電流による素子の劣化や破壊を抑制し、読み出しを高速化したメモリセル、ならびに、磁気メモリ素子を提供することができる。   As described above, according to the present invention, while utilizing the magnetization reversal mechanism using spin current, the deterioration and destruction of the element due to the current at the time of writing are suppressed, and the reading speed is increased, and the magnetic memory An element can be provided.

本発明の第1の実施の形態に係る磁気メモリ素子のメモリセルの構造を示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing a structure of a memory cell of a magnetic memory element according to a first embodiment of the present invention. メモリセルにおいて生じるスピン流によるスピントルク磁化反転の動作を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the operation | movement of the spin torque magnetization reversal by the spin flow which arises in a memory cell. メモリセルにおいて生じるスピン流によるスピントルク磁化反転の動作を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the operation | movement of the spin torque magnetization reversal by the spin flow which arises in a memory cell. 実験によって得られたスピントルク磁化反転の様子を示すヒステリシスを描いたグラフである。It is the graph which drew the hysteresis which shows the mode of spin torque magnetization reversal obtained by experiment. 本発明の第2の実施形態に係る磁気メモリ素子のメモリセルの構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the memory cell of the magnetic memory element based on the 2nd Embodiment of this invention. メモリセルを利用した磁気メモリ素子の回路構成の一例を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining an example of the circuit structure of the magnetic memory element using a memory cell. 磁気メモリ素子のメモリビットの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the memory bit of a magnetic memory element.

符号の説明Explanation of symbols

1 書き込み用磁化固定端子
2 読み出し用磁気抵抗効果素子
3 書き込み用磁化固定端子
11 反強磁性体層
12 強磁性体層
13 ピン層
14 非磁性中間層
15 フリー層
16 非磁性体層
17 電流計
18 直流電源
19 直流電流源
20 反磁性体層
21 強磁性体層
31 メモリセル
32 書き込み接続部
33 読み出し接続部
34 セル選択用トランジスタ
35 第一ビット線
36 第二ビット線
37 ワード線
41 接続部
42 ゲート
43 ドレイン
44 ソース
51 メモリセル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Write magnetization fixed terminal 2 Read magnetoresistive effect element 3 Write magnetization fixed terminal 11 Antiferromagnetic material layer 12 Ferromagnetic material layer 13 Pin layer 14 Nonmagnetic intermediate | middle layer 15 Free layer 16 Nonmagnetic material layer 17 Ammeter 18 DC power supply 19 DC current source 20 Diamagnetic layer 21 Ferromagnetic layer 31 Memory cell 32 Write connection portion 33 Read connection portion 34 Cell selection transistor 35 First bit line 36 Second bit line 37 Word line 41 Connection portion 42 Gate 43 drain 44 source 51 memory cell

Claims (8)

平面状の非磁性体層と、
前記非磁性体層の表面に設置され、磁化の向きが固定された強磁性体からなる強磁性体層と、
前記非磁性体層の表面に設置され、磁化の向きが可変である強磁性体からなるフリー層と、
を備え、前記非磁性体層と、前記強磁性体層と、の間を流れる電流の向きを変化させて、前記非磁性体層と前記強磁性体層との間を流れるスピン流のスピン量子化軸を変えることで、前記フリー層の磁化の向きを変化させ、
前記強磁性体層の磁化の方向と、前記フリー層の磁化の方向と、が、略平行であるか略反平行であるかにより、情報を記憶する
ことを特徴とするメモリセル。
A planar non-magnetic layer;
A ferromagnetic layer made of a ferromagnetic material installed on the surface of the nonmagnetic material layer and having a fixed magnetization direction;
A free layer made of a ferromagnetic material installed on the surface of the nonmagnetic material layer and having a variable magnetization direction;
A spin quantum of spin current flowing between the nonmagnetic layer and the ferromagnetic layer by changing a direction of a current flowing between the nonmagnetic layer and the ferromagnetic layer. Changing the magnetization axis changes the magnetization direction of the free layer,
Information is stored depending on whether the direction of magnetization of the ferromagnetic layer and the direction of magnetization of the free layer are substantially parallel or substantially antiparallel.
請求項1に記載のメモリセルであって、
前記強磁性体層として、磁化の向きが固定された強磁性体を、複数、前記非磁性体層の表面の異なる位置に設置する
ことを特徴とするメモリセル。
The memory cell of claim 1,
A plurality of ferromagnetic materials whose magnetization directions are fixed as the ferromagnetic material layer are disposed at different positions on the surface of the nonmagnetic material layer.
請求項1または2に記載のメモリセルであって、
前記フリー層をなす強磁性体は、少なくとも1つの磁性体材料を含む合金もしくは化合物である
ことを特徴とするメモリセル。
The memory cell according to claim 1 or 2,
The memory cell, wherein the ferromagnetic material forming the free layer is an alloy or a compound containing at least one magnetic material.
請求項1または2に記載のメモリセルであって、
前記非磁性体層と、前記フリー層と、の接触面積は2.0×104nm2以下である
ことを特徴とするメモリセル。
The memory cell according to claim 1 or 2,
The contact area between the nonmagnetic layer and the free layer is 2.0 × 10 4 nm 2 or less.
請求項1から4のいずれか1項に記載のメモリセルであって、
前記非磁性体層と、前記フリー層と、の界面は、オーミック接合される
ことを特徴とするメモリセル。
A memory cell according to any one of claims 1 to 4, wherein
The memory cell, wherein an interface between the non-magnetic layer and the free layer is ohmic-junction.
請求項1から5のいずれか1項に記載のメモリセルであって、
非磁性体層は半導体または超伝導体である
ことを特徴とするメモリセル。
A memory cell according to any one of claims 1 to 5,
A memory cell, wherein the nonmagnetic layer is a semiconductor or a superconductor.
請求項1から6のいずれか1項に記載のメモリセルであって、
前記非磁性体層の厚さは、50nm以上である
ことを特徴とするメモリセル。
The memory cell according to any one of claims 1 to 6,
The memory cell, wherein the nonmagnetic layer has a thickness of 50 nm or more.
請求項1から7のいずれか1項に記載のメモリセルを、複数、マトリックス状に配置した
ことを特徴とする磁気メモリ素子。
A magnetic memory element comprising a plurality of memory cells according to claim 1 arranged in a matrix.
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