JP2012028798A - Memory - Google Patents

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    • G11CSTATIC STORES
    • G11C11/00Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/165Auxiliary circuits
    • G11C11/1673Reading or sensing circuits or methods

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a memory which can essentially reduce errors caused by interference between reading and writing of information by a memory element and comparatively easily achieve high reliability.SOLUTION: The memory comprises a memory element 10 in which a storage layer 5 is disposed under an interlayer 4 and a magnetization fixed layer 3 is disposed on the interlayer 4, and information is stored in the storage layer 5 such that a magnetization direction of the storage layer 5 is changed by a flow of a current in a lamination direction, and current supply means flows a current in a lamination direction in the memory element 10. When information stored in the storage layer 5 is read, a current is flown into the memory element 10 from the storage layer 5 side to the magnetization fixed layer 3 side through the current supply means.

Description

本発明は、強磁性層の磁化状態を情報として記憶する記憶層と、磁化の向きが固定された磁化固定層とから成り、電流を流すことにより記憶層の磁化の向きを変化させる記憶素子を備えたメモリに係わり、不揮発メモリに適用して好適なものである。   The present invention includes a storage element that stores a magnetization state of a ferromagnetic layer as information and a magnetization fixed layer whose magnetization direction is fixed, and changes a magnetization direction of the storage layer by passing a current. The present invention relates to a provided memory and is suitable for application to a nonvolatile memory.

情報通信機器、特に携帯端末等の個人用小型情報機器の飛躍的な普及に伴い、これを構成するメモリやロジック等の素子には、高集積化、高速化、低消費電力化等、さらなる高性能化が求められている。
特に、半導体不揮発性メモリの高速化・大容量化は、可動部分の存在等の理由により本質的に小型化・高速化・低消費電力化が困難な磁気ハードディスク等と相補的な技術として、また電源投入と同時にオペレーションシステムを立ち上げるいわゆる「インスタント・オン」等の新しい機能の実現に向けて、ますます重要になってきている。
With the rapid spread of information communication devices, especially small personal information devices such as mobile terminals, the elements such as memory and logic that make up these devices have higher integration, higher speed, lower power consumption, etc. There is a need for performance.
In particular, high-speed and large-capacity semiconductor non-volatile memory is a complementary technology to magnetic hard disks that are inherently difficult to reduce in size, increase in speed, and reduce power consumption due to the existence of moving parts. It is becoming more and more important to realize new functions such as “instant-on” that starts up the operation system at the same time as the power is turned on.

不揮発性メモリとしては、半導体フラッシュメモリやFeRAM(強誘電体不揮発メモリ)等が実用化されており、さらなる高性能化に向けての活発な研究開発が行われている。   As nonvolatile memories, semiconductor flash memories, FeRAMs (ferroelectric nonvolatile memories) and the like have been put into practical use, and active research and development for further enhancement of performance is being performed.

最近、磁性体を利用した新しい不揮発メモリとして、トンネル磁気抵抗効果を利用したMRAM(Magnetic Random Access Memory )の開発進捗が著しく、注目を集めている(例えば、非特許文献1、非特許文献2参照)。   Recently, as a new nonvolatile memory using a magnetic material, MRAM (Magnetic Random Access Memory) using a tunnel magnetoresistive effect has been remarkably progressed and attracted attention (for example, see Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2). ).

このMRAMは、情報の記録を行う微小な磁気メモリ素子を規則的に配置し、その各々にアクセスできるように、配線例えばワード線及びビット線を設けた構造を有している。
それぞれの磁気メモリ素子は、情報を強磁性体の磁化の向きとして記録させる記憶層を有して構成される。
This MRAM has a structure in which minute magnetic memory elements for recording information are regularly arranged, and wirings such as word lines and bit lines are provided so that each can be accessed.
Each magnetic memory element includes a storage layer that records information as the magnetization direction of the ferromagnetic material.

そして、磁気メモリ素子の構成としては、上述の記憶層と、トンネル絶縁膜(非磁性スペーサ膜)と、磁化の向きが固定された磁化固定層とから成る、いわゆる磁気トンネル接合(Magnetic Tunnel Junction:MTJ)を用いた構造が採用されている。磁化固定層の磁化の向きは、例えば反強磁性層を設けることにより固定することができる。   As a configuration of the magnetic memory element, a so-called magnetic tunnel junction (Magnetic Tunnel Junction) including the above-described storage layer, a tunnel insulating film (nonmagnetic spacer film), and a magnetization fixed layer whose magnetization direction is fixed. A structure using MTJ) is employed. The magnetization direction of the magnetization fixed layer can be fixed, for example, by providing an antiferromagnetic layer.

このような構造においては、記憶層の磁化の向きと磁化固定層の磁化の向きとのなす角度に応じて、トンネル絶縁膜を流れるトンネル電流に対する抵抗値が変化する、いわゆるトンネル磁気抵抗効果を生じるため、このトンネル磁気抵抗効果を利用して、情報の書き込み(記録)を行うことができる。この抵抗値の大きさは、記憶層の磁化の向きと磁化固定層の磁化の向きとが反平行であるときに最大値をとり、平行であるときに最小値をとる。   In such a structure, a so-called tunnel magnetoresistance effect is produced in which the resistance value with respect to the tunnel current flowing through the tunnel insulating film changes depending on the angle between the magnetization direction of the storage layer and the magnetization direction of the magnetization fixed layer. Therefore, information can be written (recorded) by utilizing the tunnel magnetoresistance effect. The magnitude of the resistance value takes a maximum value when the magnetization direction of the storage layer and the magnetization direction of the magnetization fixed layer are antiparallel, and takes a minimum value when they are parallel.

このように構成した磁気メモリ素子において、磁気メモリ素子への情報の書き込み(記録)は、ワード線及びビット線の両方に電流を流すことにより発生する合成電流磁界により、磁気メモリ素子の記憶層の磁化の向きを制御することにより行うことができる。一般的には、このときの磁化の向き(磁化状態)の違いを、「0」情報と「1」情報とにそれぞれ対応させて記憶させる。
一方、記録された情報の読み出しは、トランジスタ等の素子を用いてメモリセルの選択を行い、磁気メモリ素子のトンネル磁気抵抗効果を利用して、記憶層の磁化の向きの違いを電圧信号の差として検出することにより、記録された情報を検知することができる。
In the magnetic memory element configured as described above, writing (recording) of information to the magnetic memory element is performed on the storage layer of the magnetic memory element by a combined current magnetic field generated by flowing current to both the word line and the bit line. This can be done by controlling the direction of magnetization. In general, the difference in magnetization direction (magnetization state) at this time is stored in association with “0” information and “1” information.
On the other hand, when reading recorded information, a memory cell is selected using an element such as a transistor, and the difference in the magnetization direction of the storage layer is determined by using the tunnel magnetoresistive effect of the magnetic memory element. By detecting as, it is possible to detect the recorded information.

このMRAMを他の不揮発メモリと比較した場合、最大の特長は、強磁性体から成る記憶層の磁化の向きを反転させることにより、「0」情報と「1」情報とを書き換えるため、高速かつほぼ無限(>1015回)の書き換えが可能であることである。 When this MRAM is compared with other nonvolatile memories, the greatest feature is that the direction of magnetization of the storage layer made of a ferromagnetic material is reversed to rewrite “0” information and “1” information. The rewriting of almost infinite (> 10 15 times) is possible.

しかしながら、MRAMにおいては、記録された情報を書き換えるために、比較的大きい電流磁界を発生させる必要があり、アドレス配線にある程度大きい(例えば数mA程度)電流を流さなければならない。そのため消費電力が大きくなる。   However, in MRAM, in order to rewrite recorded information, it is necessary to generate a relatively large current magnetic field, and a certain amount of current (for example, about several mA) must be passed through the address wiring. Therefore, power consumption increases.

また、MRAMにおいては、書き込み用のアドレス配線と読み出し用のアドレス配線をそれぞれ必要とするため、構造的にメモリセルの微細化が困難であった。
さらに、素子の微細化に従って、アドレス配線も細くなり、充分な電流を流すことが難しくなる問題や、保磁力が大きくなるため必要となる電流磁界が増大して、消費電力が増えてしまう問題等を、生じることになる。
従って、素子の微細化が困難であった。
In addition, in the MRAM, a write address line and a read address line are required, and it is structurally difficult to miniaturize the memory cell.
In addition, as the device becomes finer, the address wiring becomes thinner and it becomes difficult to pass a sufficient current. The coercive force increases, so the current magnetic field required increases and the power consumption increases. Will occur.
Therefore, it is difficult to miniaturize the element.

そこで、より少ない電流で磁化反転が可能な構成として、スピントランスファによる磁化反転を利用する構成のメモリが注目されている。
スピントランスファによる磁化反転とは、磁性体の中を通過してスピン偏極した電子を、他の磁性体に注入することにより、他の磁性体において磁化反転を起こさせるものである(例えば、特許文献1参照)。
即ち、磁化の向きが固定された磁性層(磁化固定層)を通過したスピン偏極電子が、磁化の向きが固定されない他の磁性層(磁化自由層)に進入する際に、この磁性層の磁化にトルクを与えるという現象である。そして、ある閾値以上の電流を流せば、磁性層(磁化自由層)の磁化の向きを反転させることができる。
Therefore, attention has been paid to a memory having a configuration using magnetization reversal by spin transfer as a configuration capable of performing magnetization reversal with a smaller current.
Magnetization reversal by spin transfer is to cause magnetization reversal in another magnetic material by injecting spin-polarized electrons that have passed through the magnetic material into another magnetic material (for example, patents). Reference 1).
That is, when spin-polarized electrons that have passed through a magnetic layer (magnetization pinned layer) whose magnetization direction is fixed enter another magnetic layer (magnetization free layer) whose magnetization direction is not fixed, This is a phenomenon of applying torque to the magnetization. And if the electric current beyond a certain threshold value is sent, the direction of magnetization of a magnetic layer (magnetization free layer) can be reversed.

例えば、磁化固定層と磁化自由層とを有する、巨大磁気抵抗効果素子(GMR素子)や磁気トンネル接合素子(MTJ素子)に対して、その膜面に垂直な方向に電流を流すことにより、これらの素子の少なくとも一部の磁性層の磁化の向きを反転させることができる。   For example, a giant magnetoresistive effect element (GMR element) or a magnetic tunnel junction element (MTJ element) having a magnetization fixed layer and a magnetization free layer can be used by passing a current in a direction perpendicular to the film surface. The magnetization direction of at least a part of the magnetic layer of the element can be reversed.

これにより、磁化固定層と磁化自由層(記憶層)とを有する記憶素子を構成し、記憶素子に流す電流の極性を変えることにより、記憶層の磁化の向きを反転させ、「0」情報と「1」情報との書き換えを行う。
記録された情報の読み出しは、磁化固定層と磁化自由層(記憶層)との間にトンネル絶縁層を設けた構成とすることにより、MRAMと同様にトンネル磁気抵抗効果を利用することができる。
Thus, a storage element having a magnetization fixed layer and a magnetization free layer (storage layer) is formed, and by changing the polarity of a current flowing through the storage element, the magnetization direction of the storage layer is reversed, and “0” information and Rewrite with “1” information.
Reading recorded information can utilize the tunnel magnetoresistive effect in the same manner as the MRAM, by providing a tunnel insulating layer between the magnetization fixed layer and the magnetization free layer (storage layer).

そして、スピントランスファによる磁化反転は、素子が微細化されても、電流を増やさずに磁化反転を実現することができる利点を有している。
磁化反転のために記憶素子に流す電流の絶対値は、例えば0.1μm程度のスケールの記憶素子で1mA以下であり、しかも記憶素子の体積に比例して減少するため、スケーリング上有利である。
Magnetization reversal by spin transfer has an advantage that magnetization reversal can be realized without increasing current even if the element is miniaturized.
The absolute value of the current passed through the memory element for magnetization reversal is 1 mA or less for a memory element with a scale of about 0.1 μm, for example, and decreases in proportion to the volume of the memory element, which is advantageous in terms of scaling.

しかも、MRAMで必要であった記録用ワード線が不要となるため、メモリセルの構成が単純になるという利点もある。   In addition, since the recording word line required in the MRAM is not required, there is an advantage that the configuration of the memory cell is simplified.

特開2003−17782号公報JP 2003-17782 A

日経エレクトロニクス 2001.2.12号(第164頁−171頁)Nikkei Electronics 2001.1.22 (pages 164-171) J.NaHas et al.,IEEE/ISSCC 2004 Visulas Supplement,p.22J. NaHas et al., IEEE / ISSCC 2004 Visulas Supplement, p.22

上述したスピントランスファによる磁化反転を利用してメモリを構成する場合には、記憶層に情報を書き込む(「0」情報と「1」情報とで書き換える)際と、記憶層に記録された情報を読み出す際とで、同じ経路を電流が通過することになる。
このため、読み出し電流は、書き込み電流よりも充分に低く設定し、かつ両電流のバラツキを最小限に抑えることにより、読み出し中に誤書き込みを行うことがないように設定しなくてはならない。
When a memory is configured using the above-described magnetization reversal by spin transfer, when information is written in the storage layer (rewriting with “0” information and “1” information), the information recorded in the storage layer is changed. When reading, the current passes through the same path.
For this reason, the read current must be set to be sufficiently lower than the write current, and the variation between the two currents can be minimized to prevent erroneous writing during reading.

スピントランスファを利用して情報の記録を行う記憶素子の、一般的な構成の概略断面図を図7に示す。
この記憶素子110は、下層から、下地層101、反強磁性層102、磁化固定層103、非磁性層104、記憶層105、キャップ層106の各層が積層されて構成されている。
記憶層105は、一軸磁気異方性を有する強磁性体から成り、この記憶層105の磁化状態、即ち記憶層105の磁化M112の向きによって、記憶素子110に情報を記憶させることができる。
また、記憶層105に対して、非磁性層104を介して、強磁性体から成り磁化M111の向きが固定されている磁化固定層103が設けられている。図7の構成では、磁化固定層103の下層に反強磁性層102が設けられていることにより、この反強磁性層102の作用により磁化固定層103の磁化M111の向きが固定されている。
FIG. 7 shows a schematic cross-sectional view of a general configuration of a memory element that records information using spin transfer.
The storage element 110 is configured by laminating a base layer 101, an antiferromagnetic layer 102, a magnetization fixed layer 103, a nonmagnetic layer 104, a storage layer 105, and a cap layer 106 from the lower layer.
The memory layer 105 is made of a ferromagnetic material having uniaxial magnetic anisotropy, and information can be stored in the memory element 110 depending on the magnetization state of the memory layer 105, that is, the direction of the magnetization M 112 of the memory layer 105.
In addition, a fixed magnetization layer 103 made of a ferromagnetic material and fixed in the direction of the magnetization M111 is provided to the storage layer 105 via the nonmagnetic layer 104. In the configuration of FIG. 7, since the antiferromagnetic layer 102 is provided below the fixed magnetization layer 103, the direction of the magnetization M <b> 111 of the fixed magnetization layer 103 is fixed by the action of the antiferromagnetic layer 102.

この記憶素子110に対して、情報を書き込む際には、記憶層105の膜面に垂直な方向、即ち記憶素子の積層方向に電流を流して、スピントランスファにより記憶層105の磁化M112の向きを反転させる。   When writing information to the storage element 110, a current is passed in the direction perpendicular to the film surface of the storage layer 105, that is, the stacking direction of the storage element 105, and the direction of the magnetization M112 of the storage layer 105 is changed by spin transfer. Invert.

ここで、スピントランスファによる磁化反転について簡単に説明する。
電子は2種類のスピン角運動量をもつ。仮に、これら2種類のスピン角運動量を、それぞれ上向き及び下向きと定義する。非磁性体内部では両者が同数であり、強磁性体内部では両者の数に差がある。
Here, the magnetization reversal by spin transfer will be briefly described.
Electrons have two types of spin angular momentum. Temporarily, these two types of spin angular momentum are defined as upward and downward, respectively. The number of both is the same inside the non-magnetic material, and the number of both is different inside the ferromagnetic material.

そして、図7に示す記憶素子110において、磁化固定層103及び記憶層105において、互いの磁気モーメントの向きが反平行状態にあり、電子を磁化固定層103から記憶層105に移動させる場合について考える。
磁化固定層103を通過した電子は、スピン偏極しており、スピン角運動量の上向きと下向きの数に差が生じている。
非磁性層104の厚さが充分に薄く、このスピン偏極が緩和して通常の非磁性体における非偏極(上向きと下向きが同数)状態になる前に、他方の磁性体である記憶層105に達すると、磁化固定層103及び記憶層105の磁気モーメントの向きが反平行状態にあって、スピン偏極度の符号が逆になっていることにより、系のエネルギーを下げるために一部の電子は反転、即ちスピン角運動量の向きを変えさせられる。このとき、系の全角運動量は保存されなくてはならないため、向きを変えた電子による角運動量変化の合計と等価な反作用が、記憶層105の磁気モーメントにも与えられる。
Then, in the memory element 110 shown in FIG. 7, a case is considered in which the directions of the magnetic moments are antiparallel in the magnetization fixed layer 103 and the storage layer 105, and electrons are moved from the magnetization fixed layer 103 to the storage layer 105. .
The electrons that have passed through the magnetization fixed layer 103 are spin-polarized, and there is a difference between the upward and downward numbers of spin angular momentum.
The thickness of the nonmagnetic layer 104 is sufficiently thin, and before the spin polarization is relaxed and becomes a nonpolarized state (the same number of upwards and downwards) in a normal nonmagnetic material, the storage layer which is the other magnetic material When reaching 105, the direction of the magnetic moment of the magnetization fixed layer 103 and the storage layer 105 is in an antiparallel state, and the sign of the spin polarization degree is reversed. The electrons are inverted, that is, the direction of spin angular momentum is changed. At this time, since the total angular momentum of the system must be preserved, a reaction equivalent to the sum of changes in angular momentum due to the electrons whose direction is changed is also given to the magnetic moment of the storage layer 105.

電流即ち単位時間に通過する電子の数が少ない場合には、向きを変える電子の総数も少ないために、記憶層105の磁気モーメントに発生する角運動量変化も小さいが、電流が増えると、多くの角運動量変化を単位時間内に与えることができる。角運動量の時間変化はトルクであり、トルクがある閾値を超えると記憶層105の磁気モーメントM112は反転を開始し、その一軸異方性により180度回転したところで安定となる。即ち、反平行状態から平行状態への反転が起こる。   When the current, that is, the number of electrons passing through the unit time is small, the total number of electrons changing the direction is small, so that the change in angular momentum generated in the magnetic moment of the memory layer 105 is small. Angular momentum change can be given within a unit time. The time change of the angular momentum is a torque. When the torque exceeds a certain threshold value, the magnetic moment M112 of the memory layer 105 starts to reverse and becomes stable when rotated 180 degrees due to its uniaxial anisotropy. That is, inversion from the antiparallel state to the parallel state occurs.

一方、磁化固定層103及び記憶層105において、互いの磁気モーメントの向きが平行状態にあるとき、電流を逆に記憶層105から磁化固定層103へ電子を送る向きに流すと、今度は磁化固定層103で反射される際にスピン反転した電子が記憶層105に進入する際にトルクを与え、反平行状態へと反転させることができる。
ただし、この平行状態から反平行状態へ反転させる場合に必要な電流量は、反平行状態から平行状態へと反転させる場合よりも多くなる。
On the other hand, in the magnetization fixed layer 103 and the storage layer 105, when the directions of the magnetic moments are parallel to each other, if a current is passed in the direction of sending electrons from the storage layer 105 to the magnetization fixed layer 103, the magnetization fixed this time. When electrons that have been spin-reversed when reflected by the layer 103 enter the memory layer 105, torque can be applied to reverse the antiparallel state.
However, the amount of current required for reversing from the parallel state to the anti-parallel state is greater than when reversing from the anti-parallel state to the parallel state.

このように、記憶層105への情報(0情報/1情報)の記録は、磁化固定層103から記憶層105への向き、又はその逆向きに、それぞれの極性に対応するある閾値以上の電流を流すことによって行われる。   As described above, information (0 information / 1 information) is recorded in the storage layer 105 in a direction from the magnetization fixed layer 103 to the storage layer 105, or vice versa, by a current equal to or greater than a certain threshold corresponding to each polarity. It is done by flowing.

また、記憶層105に記録された情報の読み出しは、記憶層105と磁化固定層(参照層)103との磁気モーメントの相対角度に依存した抵抗変化、即ち互いに平行な場合に最小抵抗、反平行となった場合に最大抵抗となる、いわゆる磁気抵抗効果を利用して行うことができる。
具体的には、記憶素子110に概一定電圧を印加して、その際に流れる電流の大小を検出することにより、情報の読み出しを行うことができる。
Further, the information recorded in the storage layer 105 is read out by a resistance change depending on the relative angle of the magnetic moment between the storage layer 105 and the magnetization fixed layer (reference layer) 103, that is, the minimum resistance and antiparallel when they are parallel to each other. In this case, the maximum resistance can be obtained by utilizing the so-called magnetoresistance effect.
Specifically, information can be read by applying an approximately constant voltage to the memory element 110 and detecting the magnitude of the current flowing at that time.

以下の説明では、記憶素子110の抵抗状態と情報との関係を、低抵抗状態を「1」情報、高抵抗状態を「0」情報、とそれぞれ規定する。
また、図7のキャップ層106から下地層101に向けて、即ち上層から下層に向けて、電子を移動させる電流を、正極性の電流である、と規定する。このとき、正極性の電流を流すと、電子がキャップ層106から下地層101に向けて、即ち記憶層105から磁化固定層103に向けて移動するので、前述したように、磁化固定層103の磁化M111と記憶層105の磁化M112とが反平行の向きになり、記憶素子110が高抵抗状態になる。
従って、「1」情報(低抵抗状態)を書き込む電流は負極性、0情報(高抵抗状態)を書き込む電流は正極性になる。
In the following description, the relationship between the resistance state of the memory element 110 and information is defined as “1” information for the low resistance state and “0” information for the high resistance state.
Further, a current for moving electrons from the cap layer 106 to the base layer 101 in FIG. 7, that is, from the upper layer to the lower layer, is defined as a positive current. At this time, when a positive current is passed, electrons move from the cap layer 106 toward the base layer 101, that is, from the storage layer 105 toward the magnetization fixed layer 103. The magnetization M111 and the magnetization M112 of the storage layer 105 are antiparallel, and the storage element 110 is in a high resistance state.
Therefore, a current for writing “1” information (low resistance state) has a negative polarity, and a current for writing 0 information (high resistance state) has a positive polarity.

次に、図7に示した記憶素子110のように、スピントランスファを利用して情報の記録を行う記憶素子において、書き込み動作及び読み出し動作におけるそれぞれの動作電流の相互関係を、模式的に図8に示す。図8の横軸は電流を表し、縦軸は所定の動作時にある大きさの電流が流れる素子の数を表す。
図8において、それぞれ1情報又は0情報を書き込む際に必要となる電流+Iw、−Iwの分布と平均値とを示している。
また、Ir0,Ir1は読み出し時に流す電流の分布及び平均値であり、電流量の少ないIr0が高抵抗状態(0情報)の読み出しに対応し、電流量の多いIr1が低抵抗状態(1情報)の読み出しに対応する。Icは読み出しのための参照セル(オペアンプが比較のために使用する参照電流を発生するセル)に流れる電流であり、ΔIは抵抗変化に対応する読み出し時の差電流を示している。
Next, in a memory element that records information using spin transfer, such as the memory element 110 shown in FIG. 7, the mutual relationship between the operating currents in the write operation and the read operation is schematically shown in FIG. Shown in The horizontal axis in FIG. 8 represents current, and the vertical axis represents the number of elements through which a certain amount of current flows during a predetermined operation.
FIG. 8 shows the distributions and average values of the currents + Iw and −Iw necessary for writing 1 information or 0 information, respectively.
Ir0 and Ir1 are the distribution and average value of the current that flows at the time of reading. Ir0 having a small amount of current corresponds to reading of a high resistance state (0 information), and Ir1 having a large amount of current is a low resistance state (1 information). Corresponds to reading. Ic is a current that flows in a reference cell for reading (a cell that generates a reference current used by the operational amplifier for comparison), and ΔI indicates a difference current during reading corresponding to a resistance change.

スピントランスファを利用して情報の記録を行う記憶素子において、従来は読み出し電流の極性は任意であった。
また、書き込みの極性、即ち、例えば負極性の書き込み電流−Iwを、1情報の書き込み或いは0情報の書き込みのどちらに対応させるかについても任意であるが、これは記憶素子の多層膜の構成によって規定される。
In a memory element that records information using spin transfer, conventionally, the polarity of the read current is arbitrary.
In addition, it is arbitrary whether the polarity of writing, that is, for example, negative writing current -Iw is made to correspond to writing of 1 information or writing of 0 information, but this depends on the configuration of the multilayer film of the memory element. It is prescribed.

ところが、「1」情報即ち低抵抗状態の抵抗値が低い場合には、図9に示すように、「1」情報を読み出す際に流れる電流Ir1が大きくなり、書き込みに必要な電流+Iwに近い値となり、バラツキを有する電流値の分布の裾が重なることがある。
このとき、読み出し電流Ir1と書き込み電流+Iwとにおいて、重なりが存在することにより、読み出し時に誤書き込みを行うエラーが発生しうる。
However, when the “1” information, that is, the resistance value in the low resistance state is low, as shown in FIG. 9, the current Ir1 that flows when the “1” information is read increases, and is close to the current + Iw necessary for writing. Thus, the tails of the distribution of current values having variations may overlap.
At this time, since there is an overlap between the read current Ir1 and the write current + Iw, an error that causes erroneous writing at the time of reading may occur.

そして、この事実は、低電力化等の目的で書き込み電流+Iwを低減したい場合には、不利に作用することになる。また、重なりを少なくするために、書き込み電流及び読み出し電流のバラツキを抑制しなければならない、という開発上の困難を伴う。   This fact is disadvantageous when it is desired to reduce the write current + Iw for the purpose of reducing power consumption. In addition, in order to reduce the overlap, there is a development difficulty that variation in write current and read current must be suppressed.

上述した問題の解決のために、本発明においては、記憶素子の情報の読み出しと書き込みとの干渉に伴うエラーを本質的に低減させることができ、比較的容易に高い信頼性を実現することができるメモリを提供するものである。   In order to solve the above problems, in the present invention, errors due to interference between reading and writing of information in a memory element can be essentially reduced, and high reliability can be realized relatively easily. A memory that can be used is provided.

本発明のメモリは、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有し、この記憶層に対して、中間層を介して磁化固定層が設けられ、記憶層は中間層の下層に配置され、磁化固定層は中間層の上層に配置され、積層方向に電流を流すことにより記憶層の磁化の向きが変化して、記憶層に対して情報の記録が行われる記憶素子と、この記憶素子に対して積層方向の電流を流す電流供給手段とを備え、記憶層に記録された情報を読み出す際には、電流が記憶素子の記憶層側から磁化固定層側へ、電流供給手段を通じて記憶素子に流れるものである。 The memory of the present invention has a storage layer that retains information according to the magnetization state of a magnetic substance, and a magnetization fixed layer is provided through the intermediate layer for the storage layer , and the storage layer is disposed below the intermediate layer. The magnetization pinned layer is disposed above the intermediate layer, and the direction of magnetization of the memory layer is changed by passing a current in the stacking direction, and information is recorded on the memory layer. Current supply means for supplying a current in the stacking direction to the element, and when reading information recorded in the storage layer, the current is stored from the storage layer side of the storage element to the magnetization fixed layer side through the current supply means. It flows to the element.

上述の本発明のメモリの構成によれば、記憶素子と、この記憶素子に対して積層方向の電流を流す電流供給手段(電極や配線、電源等)とを備え、記憶層は中間層の下層に配置され、磁化固定層は中間層の上層に配置され、記憶層に記録された情報を読み出す際には、電流が記憶素子の記憶層側から磁化固定層側へ、電流供給手段を通じて記憶素子に流れることにより、読み出し時に高抵抗状態に比べて大きい電流が流れる低抵抗状態である場合に、読み出し電流の分布が書き込み電流の分布と一部重なっていても、読み出し電流で書き込まれるのは低抵抗状態だけに限られるために、読み出し電流によって抵抗状態が変化してしまうエラーの発生を抑制することができる。
即ち、読み出しと書き込みの干渉に伴うエラーの発生を、本質的に低減させることが可能になる。
According to the configuration of the memory of the present invention described above, the memory element and current supply means (electrodes, wiring, power supply, etc.) for supplying current in the stacking direction to the memory element are provided, and the memory layer is a lower layer of the intermediate layer. The magnetization pinned layer is arranged on the intermediate layer, and when reading information recorded in the memory layer, the current is transferred from the memory layer side of the memory element to the magnetization pinned layer side through the current supply means. Therefore, even when the read current distribution partially overlaps with the write current distribution, when the read current distribution partially overlaps with the write current distribution, the read current is low. Since it is limited only to the resistance state, it is possible to suppress the occurrence of an error in which the resistance state changes due to the read current.
That is, it becomes possible to substantially reduce the occurrence of errors due to interference between reading and writing.

上述の本発明によれば、読み出しと書き込みの干渉に伴うエラーの発生を本質的に低減させることができることから、メモリセル毎の書き込み電流のばらつきがある程度あっても、干渉に伴うエラーの発生率を非常に小さくすることが可能になる。
従って、本発明によれば、容易に、信頼性の高いメモリを実現することが可能となる。
According to the above-described present invention, since the occurrence of errors due to interference between reading and writing can be essentially reduced, the occurrence rate of errors due to interference can be achieved even if there is some variation in the write current for each memory cell. Can be made very small.
Therefore, according to the present invention, it is possible to easily realize a highly reliable memory.

本発明の一実施の形態のメモリの概略構成図(1つのメモリセルの断面図)である。1 is a schematic configuration diagram (a cross-sectional view of one memory cell) of a memory according to an embodiment of the present invention. A 図1のメモリセルの第1層の配線層より下層を示した平面図である。 B 図1のメモリセルの上面図である。FIG. 2A is a plan view showing a lower layer than a first wiring layer of the memory cell of FIG. B is a top view of the memory cell of FIG. 図1の記憶素子の概略構成図(断面図)である。It is a schematic block diagram (sectional drawing) of the memory element of FIG. 本発明の他の実施の形態のメモリを構成する記憶素子の概略構成図(断面図)である。It is a schematic block diagram (sectional drawing) of the memory element which comprises the memory of other embodiment of this invention. A〜D スピントランスファを利用して情報の記録を行う記憶素子を構成したとき、書き込み電流と読み出し電流との相対関係、並びに書き込み電流の極性と書き込まれる情報との相対関係により、場合分けした各場合を示す図である。A to D When a storage element that records information using spin transfer is configured, each of the cases is classified according to the relative relationship between the write current and the read current and the relative relationship between the polarity of the write current and the information to be written. It is a figure which shows a case. 図5A〜図5Dの各場合に対応するデバイスのエラーの発生率を示す図である。It is a figure which shows the incidence rate of the error of the device corresponding to each case of FIG. 5A-FIG. 5D. スピントランスファを利用して情報の記録を行う記憶素子の、一般的な構成の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the general structure of the memory element which records information using a spin transfer. スピントランスファを利用して情報の記録を行う記憶素子において、書き込み動作及び読み出し動作におけるそれぞれの動作電流の相互関係を、模式的に示す図である。FIG. 3 is a diagram schematically showing the mutual relationship between operating currents in a write operation and a read operation in a storage element that records information using spin transfer. 書き込み電流と読み出し電流の電流分布が重なる場合を示す図である。It is a figure which shows the case where the current distribution of a write current and a read current overlaps.

まず、本発明の具体的な実施の形態の説明に先立ち、本発明の概要について説明する。
以下の説明でも、前述したように、低抵抗状態を「1」情報、高抵抗状態を「0」情報、とそれぞれ規定し、また、記憶素子の上層から下層に向けて電子を移動させる電流を、正極性の電流である、と規定する。
本発明においては、記憶素子に対する、情報の書き込み時の電流と、情報の読み出し時の電流とにおける、極性の関係及び大小関係が重要である。
First, an outline of the present invention will be described prior to description of specific embodiments of the present invention.
In the following description, as described above, the low resistance state is defined as “1” information, the high resistance state is defined as “0” information, and the current for moving electrons from the upper layer to the lower layer of the memory element is also defined. It is defined as a positive current.
In the present invention, the polarity relationship and the magnitude relationship between the current at the time of writing information and the current at the time of reading information are important for the memory element.

本発明では、低抵抗状態(1情報)の読み出し電流分布と重なる書き込みを、低抵抗状態(1情報)を書き込む動作となるように、記憶素子の膜構成及びメモリの回路構成を調整する。
このように構成することにより、正極性の書き込み電流+Iwと低抵抗状態(1情報)における読み出し電流Ir1との各電流分布が、図9に示したように重なりを持っているとしても、1情報を読み出す際に1情報を上書きしてもエラーにはならないため、誤書き込みを生じる問題を回避することが可能である。
In the present invention, the film configuration of the memory element and the circuit configuration of the memory are adjusted so that writing that overlaps the read current distribution in the low resistance state (one information) becomes an operation of writing the low resistance state (one information).
With this configuration, even if each current distribution of the positive write current + Iw and the read current Ir1 in the low resistance state (one information) has an overlap as shown in FIG. Even if one information is overwritten when data is read, an error does not occur, so that a problem of erroneous writing can be avoided.

図7に示した記憶素子110のように、スピントランスファを利用して情報の記録を行う記憶素子を構成したとき、書き込み電流−Iw,+Iwと、読み出し電流Ir0,Ir1との相対関係、並びに書き込み電流−Iw,+Iwの極性と書き込まれる情報(0情報/1情報)との相対関係により、図5A〜図5Dに示す4通りに場合分けすることができる。   When a storage element that records information using spin transfer is configured like the storage element 110 shown in FIG. 7, the relative relationship between the write currents −Iw and + Iw and the read currents Ir0 and Ir1, and the write Depending on the relative relationship between the polarities of the currents -Iw and + Iw and the information to be written (0 information / 1 information), it can be divided into four cases as shown in FIGS. 5A to 5D.

図5Aに示す場合は、負極性の書き込み電流−Iwが1情報の書き込み動作を行う電流Iw1であり、正極性の書き込み電流+Iwが0情報の書き込み動作を行う電流Iw0であり、読み出し電流Ir0,Ir1が正極性の電流である場合である。
図5Bに示す場合は、負極性の書き込み電流−Iwが0情報の書き込み動作を行う電流Iw0であり、正極性の書き込み電流+Iwが1情報の書き込み動作を行う電流Iw1であり、読み出し電流Ir0,Ir1が正極性の電流である場合である。
図5Cに示す場合は、負極性の書き込み電流−Iwが1情報の書き込み動作を行う電流Iw1であり、正極性の書き込み電流+Iwが0情報の書き込み動作を行う電流Iw0であり、読み出し電流Ir0,Ir1が負極性の電流である場合である。
図5Dに示す場合は、負極性の書き込み電流−Iwが0情報の書き込み動作を行う電流Iw0であり、正極性の書き込み電流+Iwが1情報の書き込み動作を行う電流Iw1であり、読み出し電流Ir0,Ir1が負極性の電流である場合である。
In the case shown in FIG. 5A, the negative write current −Iw is the current Iw1 for performing the write operation of 1 information, the positive write current + Iw is the current Iw0 for performing the write operation of 0 information, and the read currents Ir0, This is a case where Ir1 is a positive current.
In the case shown in FIG. 5B, the negative write current −Iw is the current Iw0 that performs the write operation of 0 information, the positive write current + Iw is the current Iw1 that performs the write operation of 1 information, and the read currents Ir0, This is a case where Ir1 is a positive current.
In the case shown in FIG. 5C, the negative write current −Iw is the current Iw1 for performing the write operation of 1 information, the positive write current + Iw is the current Iw0 for performing the write operation of 0 information, and the read currents Ir0, This is a case where Ir1 is a negative current.
In the case shown in FIG. 5D, the negative write current −Iw is the current Iw0 for performing the write operation of 0 information, the positive write current + Iw is the current Iw1 for performing the write operation of 1 information, and the read currents Ir0, This is a case where Ir1 is a negative current.

従来は、この読み出しの電流の極性は任意であったため、これら図5A〜図5Dの4通りのうち任意の構成とされていた。   Conventionally, the polarity of the read current is arbitrary, and therefore, any of the four configurations shown in FIGS. 5A to 5D has been adopted.

問題となるのは、1情報書き込みと0情報の読み出しとの干渉、並びに0情報の書き込みと1情報の読み出しとの干渉であるが、図5A〜図5D及び図8より明らかなように、0情報の読み出しに必要な電流Ir0は小さく、より問題となるのは1情報の読み出しと0情報の書き込みとの干渉である。
従って、動作電流の関係が、1情報の読み出し電流Ir1と1情報の書き込み電流Iw1とが接近するような、図5B又は図5Cに示す関係になるように、記憶素子の多層膜構成や読み出し電流の極性を規定すれば、エラーの発生を抑制することができる。
The problems are interference between writing 1 information and reading 0 information, and interference between writing 0 information and reading 1 information. As is clear from FIGS. 5A to 5D and FIG. The current Ir0 required for reading information is small, and the more serious problem is interference between reading 1 information and writing 0 information.
Therefore, the multilayer structure of the memory element and the read current are set so that the relationship between the operating currents is the relationship shown in FIG. 5B or 5C so that the read current Ir1 for one information and the write current Iw1 for one information are close to each other. If the polarity is defined, the occurrence of errors can be suppressed.

図5A〜図5Dのそれぞれの場合に対応するデバイスにおいて起こるエラーの発生率を図6に示す。図6の縦軸は、書き込み電流の分布と読み出し電流の重なりに起因する誤書き込みエラーの発生率であり、横軸は書き込み電流のバラツキである。なお、測定したデバイスの読み出し電流のばらつきは、標準偏差σ/平均値で1.5%である。
図6において、曲線Aは図5B又は図5Cのような動作電流間の関係を示すデバイスに対応し、曲線Bは図5A又は図5Dのような動作電流間の関係を示すデバイスに対応する。
FIG. 6 shows the rate of occurrence of errors occurring in the device corresponding to each case of FIGS. 5A to 5D. The vertical axis in FIG. 6 represents the occurrence rate of erroneous write errors due to the overlap between the write current distribution and the read current, and the horizontal axis represents the variation in the write current. Note that the variation in the read current of the measured device is 1.5% in terms of standard deviation σ / average value.
In FIG. 6, curve A corresponds to a device showing the relationship between operating currents as in FIG. 5B or 5C, and curve B corresponds to a device showing the relationship between operating currents as in FIG. 5A or 5D.

図6より、図5B又は図5Cの関係とした曲線Aの場合に、エラーの発生率が大幅に低減されていることがわかる。
そして、図5B又は図5Cの関係とすることにより、書き込み電流のバラツキの大幅な改善を行わなくとも、容易にエラーを低減させることが可能になる。
From FIG. 6, it can be seen that in the case of the curve A having the relationship of FIG. 5B or FIG. 5C, the error occurrence rate is greatly reduced.
The relationship shown in FIG. 5B or FIG. 5C makes it possible to easily reduce errors without greatly improving the variation in write current.

続いて、本発明の具体的な実施の形態を説明する。
本発明の一実施の形態として、メモリの概略構成図(断面図)を図1に示す。この図1は、メモリ(記憶装置)を構成する1つのメモリセルの断面図を示している。
このメモリは、磁化状態で情報を保持することができる記憶素子10により、メモリセルが構成されている。
この記憶素子10は、スピントランスファにより磁化の向きが反転する強磁性層から成る記憶層を有する。
Subsequently, specific embodiments of the present invention will be described.
FIG. 1 shows a schematic configuration diagram (cross-sectional view) of a memory as an embodiment of the present invention. FIG. 1 shows a cross-sectional view of one memory cell constituting a memory (storage device).
In this memory, a memory cell is constituted by a memory element 10 that can hold information in a magnetized state.
The storage element 10 has a storage layer composed of a ferromagnetic layer whose magnetization direction is reversed by spin transfer.

また、シリコン基板等の半導体基体11に、各メモリセルを選択するための選択用トランジスタを構成する、ドレイン領域12、ソース領域13、並びにゲート電極14が、それぞれ形成されている。
このうち、ゲート電極14は、図1とは別の断面にあるワード線WL(図2参照)に接続される。ドレイン領域12は、コンタクト層15D、第1層の配線層16A、埋め込み金属層17を介して、第2層の配線層16Bから成るセンス線SLに接続されている。ソース領域13は、コンタクト層15S、第1層の配線層16A、第2層の配線層16B,第3層の配線層16C及び各配線層16A,16B,16Cの間の埋め込み金属層17を介して、記憶素子10に接続されている。
そして、記憶素子10は、その上の第4層の配線層18から成るビット線BLに接続されている。
なお、ドレイン領域12を、例えば2つの選択用トランジスタに共通して形成することにより、センス線SLを2個のメモリセルに共通とすることが可能になる。
In addition, a drain region 12, a source region 13, and a gate electrode 14 constituting a selection transistor for selecting each memory cell are formed on a semiconductor substrate 11 such as a silicon substrate.
Among these, the gate electrode 14 is connected to a word line WL (see FIG. 2) in a cross section different from that in FIG. The drain region 12 is connected to a sense line SL including a second wiring layer 16B via a contact layer 15D, a first wiring layer 16A, and a buried metal layer 17. The source region 13 is connected via a contact layer 15S, a first wiring layer 16A, a second wiring layer 16B, a third wiring layer 16C, and a buried metal layer 17 between the wiring layers 16A, 16B and 16C. And connected to the memory element 10.
The storage element 10 is connected to the bit line BL including the fourth wiring layer 18 thereon.
For example, by forming the drain region 12 in common for two selection transistors, the sense line SL can be shared by two memory cells.

また、本実施の形態のメモリの1つのメモリセルについて、第1層の配線層16Aより下層を示した平面図を図2Aに示し、上面図を図2Bに示す。
図2A及び図2Bに示すように、選択用トランジスタは、NMOSトランジスタ19N及びPMOSトランジスタ19Pを、ソース同士及びドレイン同士で、それぞれ第1層の配線層16Aを介して電気的に接続することによって、構成されている。
これにより、これらNMOSトランジスタ19N及びPMOSトランジスタ19Pから、所謂トランスファゲートが構成される。
そして、このトランスファゲートにより、記憶素子10に電流を流したり、記憶素子10に電流が流れないようにしたり、とスイッチングすることができる。
PMOSトランジスタ19Pのゲート電極14は、コンタクト層15Gを介して、第1層の配線層16Aにより形成されたワード線WLに接続されている。NMOSトランジスタ19Nのゲート電極14は、コンタクト層15Gを介してワード線WLに接続されている。記憶素子10に流す電流のオン・オフに対応して、PMOSトランジスタ19P側のワード線WLと、NMOSトランジスタ19N側のワード線WLとには、一方に制御信号が供給され、他方には同じ制御信号をインバータに通した制御信号が供給される。
Further, FIG. 2A shows a plan view showing a layer below the first wiring layer 16A and FIG. 2B shows a top view of one memory cell of the memory according to the present embodiment.
As shown in FIGS. 2A and 2B, the selection transistor is configured such that the NMOS transistor 19N and the PMOS transistor 19P are electrically connected to each other between the source and the drain via the first wiring layer 16A. It is configured.
As a result, the NMOS transistor 19N and the PMOS transistor 19P constitute a so-called transfer gate.
The transfer gate can be used to perform switching such as passing a current through the memory element 10 or preventing a current from flowing through the memory element 10.
The gate electrode 14 of the PMOS transistor 19P is connected to the word line WL formed by the first wiring layer 16A via the contact layer 15G. The gate electrode 14 of the NMOS transistor 19N is connected to the word line WL via the contact layer 15G. Corresponding to ON / OFF of the current flowing through the memory element 10, a control signal is supplied to one of the word line WL on the PMOS transistor 19P side and the word line WL on the NMOS transistor 19N side, and the same control is applied to the other. A control signal is supplied by passing the signal through an inverter.

選択トランジスタのサイズは、例えば、NMOSトランジスタ19Nの幅Wnが1μmに設定され、PMOSトランジスタ19Pの幅Wpが1.5μmに設定される。   As for the size of the selection transistor, for example, the width Wn of the NMOS transistor 19N is set to 1 μm, and the width Wp of the PMOS transistor 19P is set to 1.5 μm.

ビット線BLとセンス線SLに対して、正又は負の電位差を与え、ワード線WLに電圧を印加してトランスファゲートをオン状態にすることにより、記憶素子10の積層方向のいずれかの向きに電流を流すことができる。   A positive or negative potential difference is applied to the bit line BL and the sense line SL, and a voltage is applied to the word line WL to turn on the transfer gate. Current can flow.

次に、本実施の形態のメモリを構成する記憶素子10の概略構成図(断面図)を図3に示す。
この記憶素子10は、下層から、下地層1、反強磁性層2、磁化固定層3、非磁性層4、記憶層5、キャップ層6の順に、各層が積層されてなる。
Next, FIG. 3 shows a schematic configuration diagram (cross-sectional view) of the memory element 10 constituting the memory of the present embodiment.
The memory element 10 is formed by laminating layers in the order of the underlayer 1, the antiferromagnetic layer 2, the magnetization fixed layer 3, the nonmagnetic layer 4, the memory layer 5, and the cap layer 6 from the lower layer.

磁化固定層3の下に反強磁性層2が設けられており、この反強磁性層2により、磁化固定層3の磁化M1の向きが固定される。図3では磁化固定層3の磁化M1の向きが、右向きに固定されている。   An antiferromagnetic layer 2 is provided under the magnetization fixed layer 3, and the direction of the magnetization M <b> 1 of the magnetization fixed layer 3 is fixed by the antiferromagnetic layer 2. In FIG. 3, the direction of the magnetization M1 of the magnetization fixed layer 3 is fixed to the right.

記憶層5は、情報を磁化状態即ち記憶層5の磁化M2の向きにより保持するものであり、磁化M2の向きが右向きであるか左向きであるかにより、それぞれ情報を保持することができる。   The storage layer 5 holds information according to the magnetization state, that is, the direction of the magnetization M2 of the storage layer 5, and can hold information depending on whether the direction of the magnetization M2 is rightward or leftward.

また、記憶層5と磁化固定層3との間に非磁性層4が設けられていることにより、記憶層5と磁化固定層3とにより、GMR素子又はMTJ素子が構成される。これにより、磁気抵抗効果を利用して、記憶層5の磁化M2の向きを検出することができる。
即ち、記憶層5の磁化M2の向きが、磁化固定層3の磁化M1の向き(右向き)に対して、平行(右向き)の場合には電気抵抗が低くなり、反平行(左向き)の場合には電気抵抗が高くなることから、磁気抵抗効果を利用して、記憶層5の磁化M2の向きを検出することができる。
Further, since the nonmagnetic layer 4 is provided between the storage layer 5 and the magnetization fixed layer 3, the storage layer 5 and the magnetization fixed layer 3 constitute a GMR element or an MTJ element. Thereby, the direction of the magnetization M2 of the memory layer 5 can be detected using the magnetoresistive effect.
That is, when the direction of the magnetization M2 of the storage layer 5 is parallel (rightward) to the direction of the magnetization M1 of the magnetization fixed layer 3 (rightward), the electrical resistance is low, and when the direction is antiparallel (leftward). Since the electrical resistance becomes high, the direction of the magnetization M2 of the storage layer 5 can be detected using the magnetoresistance effect.

磁化固定層3や記憶層5の材料としては、特に限定はないが、鉄、ニッケル、コバルトの1種もしくは2種以上からなる合金材料を用いることができる。さらにNb、Zr等の遷移金属元素やB等の軽元素を含有させることもできる。
反強磁性層2の材料としては、鉄、ニッケル、白金、イリジウム、ロジウム等の金属元素とマンガンとの合金、コバルトやニッケルの酸化物等が使用できる。
The material of the magnetization fixed layer 3 and the storage layer 5 is not particularly limited, but an alloy material composed of one or more of iron, nickel, and cobalt can be used. Furthermore, transition metal elements such as Nb and Zr, and light elements such as B can also be contained.
As a material of the antiferromagnetic layer 2, an alloy of a metal element such as iron, nickel, platinum, iridium, and rhodium and manganese, an oxide of cobalt, nickel, or the like can be used.

非磁性層4は、非磁性導電層により、或いは、トンネルバリア層等の絶縁層により構成する。非磁性導電層としては、例えば、ルテニウム、銅、クロム、金、銀等が使用できる。トンネルバリア層としては、酸化アルミニウム等の絶縁材料を使用することができる。   The nonmagnetic layer 4 is composed of a nonmagnetic conductive layer or an insulating layer such as a tunnel barrier layer. As the nonmagnetic conductive layer, for example, ruthenium, copper, chromium, gold, silver or the like can be used. As the tunnel barrier layer, an insulating material such as aluminum oxide can be used.

本実施の形態では、特に、記憶素子10に対して、下地層1からキャップ層6への向き7に、即ち磁化固定層3から記憶層5への向きに、電子を流すことにより、記憶層5に記録された情報の読み出しを行う。そして、読み出し時にその向き7に電子が流れるように、電極や配線BL,SL、電源等の電流供給手段を構成する。
このとき、読み出し電流Ir(Ir0,Ir1)は、電子を流す向き7とは逆に、キャップ層6から下地層1への向きになる。
この読み出し電流Irは、前述した負極性の電流に相当し、また低抵抗状態を書き込む電流(電子を磁化固定層3から記憶層5へ流す電流)Iw1と同じ極性であるため、本実施の形態における記憶素子10の積層膜構成及び読み出し電流の極性は、図5Cに示した場合に対応するものである。
In the present embodiment, in particular, the storage layer is formed by flowing electrons to the storage element 10 in the direction 7 from the base layer 1 to the cap layer 6, that is, from the magnetization fixed layer 3 to the storage layer 5. The information recorded in 5 is read out. Then, current supply means such as electrodes, wirings BL and SL, and a power source are configured so that electrons flow in the direction 7 at the time of reading.
At this time, the read current Ir (Ir0, Ir1) is in the direction from the cap layer 6 to the underlying layer 1 as opposed to the direction 7 in which electrons flow.
This read current Ir corresponds to the negative current described above and has the same polarity as the current Iw1 for writing the low resistance state (current flowing from the magnetization fixed layer 3 to the storage layer 5) Iw1. The laminated film configuration of the memory element 10 and the polarity of the read current correspond to the case shown in FIG. 5C.

従って、図6に示したように、読み出しと書き込みの干渉によるエラーの発生を低減することができる。   Therefore, as shown in FIG. 6, the occurrence of errors due to interference between reading and writing can be reduced.

上述の本実施の形態のメモリの構成によれば、記憶素子10の記憶層5に記録された情報を読み出す際には、記憶素子10の電気抵抗を高抵抗状態から低抵抗状態へと変化させるように書き込み(情報の記録)を行うときの電流−Iw(Iw1)と同じ負極性の電流が、記憶素子10に流れることにより、読み出し時に記憶素子10が低抵抗状態である場合に、読み出し電流Ir1の分布が書き込み電流−Iwの分布と一部重なっていても、読み出し電流Irで書き込まれるのは低抵抗状態だけに限定される。
これにより、読み出し電流によって抵抗状態が変化してしまうエラーの発生を抑制することができ、読み出しと書き込みの干渉に伴うエラーの発生を、本質的に低減させることが可能になる。
According to the memory configuration of the above-described embodiment, when reading information recorded in the storage layer 5 of the storage element 10, the electrical resistance of the storage element 10 is changed from the high resistance state to the low resistance state. As described above, the current having the same negative polarity as the current −Iw (Iw1) at the time of writing (recording information) flows to the memory element 10, so that when the memory element 10 is in a low resistance state at the time of reading, the read current Even if the distribution of Ir1 partially overlaps with the distribution of the write current -Iw, writing with the read current Ir is limited to only the low resistance state.
As a result, it is possible to suppress the occurrence of an error in which the resistance state changes due to the read current, and it is possible to substantially reduce the occurrence of an error due to the interference between reading and writing.

従って、読み出しと書き込みの干渉に伴うエラーを本質的に低減させることができることから、メモリセル毎の書き込み電流のばらつきがある程度あっても、干渉に伴うエラーの発生率を非常に小さくすることが可能になる。
従って、容易に、信頼性の高いメモリを実現することが可能となる。
Therefore, since errors due to interference between reading and writing can be essentially reduced, even if there is some variation in write current for each memory cell, the rate of occurrence of errors due to interference can be made very small. become.
Therefore, it is possible to easily realize a highly reliable memory.

次に、本発明の他の実施の形態として、メモリを構成する記憶素子の概略構成図(断面図)を図4に示す。   Next, as another embodiment of the present invention, FIG. 4 shows a schematic configuration diagram (cross-sectional view) of a memory element constituting a memory.

本実施の形態においては、図4に示すように、下層から、下地層1、記憶層5、非磁性層4、磁化固定層3、反響磁性層2、キャップ層6の順に、各層が積層されて、記憶素子20が構成されている。即ち、磁化固定層3及び記憶層5の積層順序が図3の記憶素子10とは逆になっている。
その他の構成は、先の実施の形態の記憶素子10と同様であるので、同一符号を付して重複説明を省略する。
また、メモリの他の部分の構成は、図1及び図2の先の実施の形態のメモリと同様に構成することができる。
In the present embodiment, as shown in FIG. 4, the layers are laminated in the order of the base layer 1, the storage layer 5, the nonmagnetic layer 4, the magnetization fixed layer 3, the reverberant magnetic layer 2, and the cap layer 6 from the lower layer. Thus, the storage element 20 is configured. That is, the stacking order of the magnetization fixed layer 3 and the storage layer 5 is opposite to that of the storage element 10 in FIG.
Since other configurations are the same as those of the memory element 10 of the previous embodiment, the same reference numerals are given and redundant description is omitted.
In addition, the configuration of other parts of the memory can be configured in the same manner as the memory of the previous embodiment shown in FIGS.

さらに、本実施の形態では、特に、記憶素子20に対して、キャップ層6から下地層1への向き8に、即ち磁化固定層3から記憶層5への向きに、電子を流すことにより、記憶層5に記録された情報の読み出しを行う。そして、読み出し時にその向き8に電子が流れるように、電極や配線BL,SL、電源等の電流供給手段を構成する。
このとき、読み出し電流Ir(Ir0,Ir1)は、電子を流す向き8とは逆に、下地層1からキャップ層6への向きになる。
この読み出し電流Irは、前述した正極性の電流に相当し、また低抵抗状態を書き込む電流(電子を磁化固定層3から記憶層5へ流す電流)と同じ極性であるため、本実施の形態における記憶素子20の積層膜構成及び読み出し電流の極性は、図5Bに示した場合に対応するものである。
Further, in the present embodiment, in particular, by flowing electrons in the direction 8 from the cap layer 6 to the underlayer 1, that is, in the direction from the magnetization fixed layer 3 to the storage layer 5, with respect to the storage element 20, Information recorded in the storage layer 5 is read. Then, current supply means such as electrodes, wirings BL and SL, and a power source are configured so that electrons flow in the direction 8 at the time of reading.
At this time, the read current Ir (Ir0, Ir1) is in the direction from the base layer 1 to the cap layer 6 as opposed to the direction 8 in which electrons flow.
This read current Ir corresponds to the positive current described above, and has the same polarity as the current for writing the low resistance state (current flowing electrons from the magnetization fixed layer 3 to the storage layer 5). The laminated film configuration of the memory element 20 and the polarity of the read current correspond to the case shown in FIG. 5B.

上述の本実施の形態のメモリの構成によれば、記憶素子20の記憶層5に記録された情報を読み出す際には、記憶素子20の電気抵抗を高抵抗状態から低抵抗状態へと変化させるように書き込み(情報の記録)を行うときの電流+Iw(Iw1)と同じ正極性の電流が、記憶素子20に流れることにより、読み出し時に記憶素子20が低抵抗状態である場合に、読み出し電流Ir1の分布が書き込み電流+Iwの分布と一部重なっていても、読み出し電流Irで書き込まれるのは低抵抗状態だけに限定される。
これにより、読み出し電流によって抵抗状態が変化してしまうエラーの発生を抑制することができ、読み出しと書き込みの干渉に伴うエラーの発生を、本質的に低減させることが可能になる。
According to the memory configuration of the above-described embodiment, when reading information recorded in the storage layer 5 of the storage element 20, the electrical resistance of the storage element 20 is changed from the high resistance state to the low resistance state. Thus, when a current having the same positive polarity as the current + Iw (Iw1) at the time of writing (recording information) flows through the memory element 20, the read current Ir1 when the memory element 20 is in a low resistance state at the time of reading Is partially limited to the write current + Iw, the writing with the read current Ir is limited to the low resistance state.
As a result, it is possible to suppress the occurrence of an error in which the resistance state changes due to the read current, and it is possible to substantially reduce the occurrence of an error due to the interference between reading and writing.

従って、読み出しと書き込みの干渉に伴うエラーを本質的に低減させることができることから、メモリセル毎の書き込み電流のばらつきがある程度あっても、干渉に伴うエラーの発生率を非常に小さくすることが可能になる。
従って、容易に、信頼性の高いメモリを実現することが可能となる。
Therefore, since errors due to interference between reading and writing can be essentially reduced, even if there is some variation in write current for each memory cell, the rate of occurrence of errors due to interference can be made very small. become.
Therefore, it is possible to easily realize a highly reliable memory.

上述の各実施の形態における記憶素子の層構成は、その本質的な役割を果たす範囲において変更が可能である。
例えば、磁化固定層として、反強磁性層との積層によらず、単独で十分に大きな保磁力を有する強磁性材料を用いてもよい。
また、記憶層や磁化固定層を構成する磁性体層は、単層の磁性体層に限定されるものではなく、組成の異なる2層以上の磁性体層を直接積層したり、2層以上の磁性体層を非磁性層を介して積層した積層フェリ構造としたりすることも可能である。
The layer configuration of the memory element in each of the above-described embodiments can be changed within a range that plays an essential role.
For example, a ferromagnetic material having a sufficiently large coercive force alone may be used as the magnetization fixed layer independently of the lamination with the antiferromagnetic layer.
Further, the magnetic layer constituting the storage layer and the magnetization fixed layer is not limited to a single magnetic layer, and two or more magnetic layers having different compositions may be directly laminated or two or more layers may be formed. It is also possible to have a laminated ferrimagnetic structure in which magnetic layers are laminated via nonmagnetic layers.

なお、本発明では、正負両極性の書き込み電流+Iw,−Iwの絶対値が図5Bや図5Cのように等しい場合に限定されるものではなく、正負両極性の書き込み電流の絶対値が異なる場合にも適用可能である。   The present invention is not limited to the case where the absolute values of the positive and negative bipolar write currents + Iw and -Iw are equal as shown in FIGS. 5B and 5C, but the absolute values of the positive and negative bipolar write currents are different. It is also applicable to.

なお、上述した本発明における動作原理は、スピントランスファを利用するメモリに限らず、双極性の電流により情報(0情報/1情報)の記録を行い、任意方向の電流で抵抗変化を検出して情報を読み出すメモリに対しても、一般的に適用することが可能であると考えられる。   The operation principle of the present invention described above is not limited to a memory using spin transfer, and information (0 information / 1 information) is recorded by a bipolar current, and a resistance change is detected by a current in an arbitrary direction. It is considered that the present invention can be generally applied to a memory for reading information.

本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。   The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various other configurations can be taken without departing from the gist of the present invention.

1 下地層、2 反強磁性層、3 磁化固定層、4 非磁性層、5 記憶層、6 キャップ層、10,20 記憶素子、12 ドレイン領域、13 ソース領域、14 ゲート電極、19N NMOSトランジスタ、19P PMOSトランジスタ、WL ワード線、BL ビット線、SL センス線 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Underlayer, 2 Antiferromagnetic layer, 3 Magnetization fixed layer, 4 Nonmagnetic layer, 5 Memory layer, 6 Cap layer, 10 and 20 Memory element, 12 Drain region, 13 Source region, 14 Gate electrode, 19N NMOS transistor, 19P PMOS transistor, WL word line, BL bit line, SL sense line

Claims (1)

情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有し、
前記記憶層に対して、中間層を介して磁化固定層が設けられ、
前記記憶層は前記中間層の下層に配置され、
前記磁化固定層は前記中間層の上層に配置され、
積層方向に電流を流すことにより、前記記憶層の磁化の向きが変化して、前記記憶層に対して情報の記録が行われる記憶素子と、
前記記憶素子に対して、前記積層方向の電流を流す電流供給手段とを備え、
前記記憶層に記録された情報を読み出す際には、電流が前記記憶素子の前記記憶層側から前記磁化固定層側へ、前記電流供給手段を通じて前記記憶素子に流れる
メモリ。
It has a storage layer that holds information according to the magnetization state of the magnetic material,
A magnetization fixed layer is provided via an intermediate layer for the storage layer,
The storage layer is disposed below the intermediate layer;
The magnetization fixed layer is disposed on an upper layer of the intermediate layer,
A storage element in which the direction of magnetization of the storage layer is changed by passing a current in the stacking direction, and information is recorded on the storage layer;
Current supply means for supplying current in the stacking direction to the storage element;
A memory in which, when reading information recorded in the storage layer, a current flows from the storage layer side of the storage element to the magnetization fixed layer side through the current supply means to the storage element.
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