JP2012248688A - 垂直磁化磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】磁気抵抗効果素子を構成する参照層106と記録層107の面積を異ならせることにより、保存している情報に応じた記録保持時間の差を補正する。
【選択図】図8
Description
EP/kBT=E0(1+Hs/Hk rec)2/kBT (1)
EAP/kBT=E0(1−Hs/Hk rec)2/kBT (2)
で表わされる。ここで、Hsは参照層から発生する磁場の大きさであり、ダイポール結合の大きさを表している。また、Hk recは記録層の異方性磁場、kBはボルツマン定数、Tは絶対温度である。
Jc0=αγeMsHk rectrec/μBg(θ) (3)
Jc=Jc0[1−kBT/Eln(τp/τ0)] (4)
ここで、Jcは書込み電流、Jc0は書込み時間が1ナノ秒のときの書込み電流、αはダンピング定数、γはジャイロ磁気定数、eは素電荷、Msは記録層の飽和磁化、trecは記録層の膜厚、τpは書込み時間、τ0は試行時間で1ナノ秒である。
g(θ)=p/[2(1+p2cosθ)] (5)
で表される。ここで、pはスピン分極率、θは参照層の磁化方向と記録層の磁化方向との間の相対角である。P状態ではθ=0であり、AP状態ではθ=πである。従って、ビット情報“1”を書込む場合の書込み電流のほうが、ビット情報“0”を書込む場合の書込み電流より大きく、p=0.6のときおよそ2倍になる。さらに、Hsを考慮した場合、P状態からAP状態に遷移するときの書込み電流Jc0 P及びAP状態からP状態に遷移するときの書込み電流Jc0 APは、
Jc0 P=αγeMs(Hk rec+Hs)t/μBg(0) (6)
Jc0 AP=αγeMs(Hk rec−Hs)t/μBg(π) (7)
で表され、ビット情報“0”の書込み電流と、ビット情報“1”の書込み電流の差は、さらに大きくなる。
Hs=Mstref(dref/2)μ0[{(dref/2)2+tbar 2}3/2] (8)
で表される。従って、drefが大きければ、Hsが小さくなることが予想される。ここで、tbarは障壁層の膜厚である。
上記した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
本発明の一観点によると、磁気抵抗効果素子の参照層の面積を記録層の面積より大きくすることで、磁気抵抗効果素子のP状態とAP状態の熱安定性の差を小さくすることができる。さらに、P→AP書込み電流とAP→P書込み電流の差も小さくすることができる。
図11は、実施例2のメモリセル100及び磁気抵抗効果素子101の断面模式図である。図11は、図9Aに示した実施例1の磁気抵抗効果素子に非磁性層1102を付加したものに相当する。本発明の別の観点によると、第1の強磁性層106及び第2の強磁性層107の材料としてCoFeBに代表される3d遷移金属を少なくとも1種類含んだ材料を適用し、第1の非磁性層108の材料としてMgOに代表される酸化物障壁層を適用した場合、磁気抵抗効果素子101における第1の強磁性層106の、非磁性層108と反対側の界面に、MgO,Al2O3,SiO2などの酸化物障壁層からなる第2の非磁性層1102を作製しても良い。
本発明の別の観点によると、実施例1に示した磁気抵抗効果素子において、記録層を形成する際のエッチングを、参照層の表面で止めてもよい。
本発明の別の観点によると、参照層の面積を記録層の面積より大きくするために、第1の強磁性層、非磁性層、第2の強磁性層を形成する際のエッチング方向に角度をつけて、磁気抵抗効果素子をテーパー構造としても良い。
図15に、本発明による磁気ランダムアクセスメモリの構成例を示す。図15において、103はソース線、101は本発明の磁気抵抗効果素子であり、104はビット線、102はセル選択トランジスタ、105はワード線、100は一つの磁気メモリセルを表す。
101 磁気抵抗効果素子
102 選択トランジスタ
103 ソース線
104 ビット線
105 ワード線
106 第1の強磁性層
107 第2の強磁性層
108 非磁性層
Claims (13)
- 磁化方向が不変である参照層と、
磁化方向が可変である記録層と、
前記参照層と前記記録層の間に電気的に接続された非磁性層とを備え、
前記参照層及び前記記録層の磁化は膜面に対して垂直方向であり、
前記参照層及び前記記録層は電流供給端子を備え、
前記参照層の面積が前記記録層の面積より大きいことを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 請求項1記載の磁気抵抗効果素子において、
前記参照層の磁化と前記記録層の磁化が反平行に配置された場合のエネルギーバリアをEAP、ボルツマン定数をkB、絶対温度をT、ダイポール結合がないときのエネルギーバリアをE0、前記参照層から発生したダイポール結合磁場の前記記録層中心での大きさをHs、前記記録層の異方性磁場をHk rec、前記参照層の面積と同じ面積の円の直径をdref、前記参照層の膜厚をtref、前記非磁性層の膜厚をtbar、真空の透磁率をμ0とするとき、
EAP/kBT=E0(1−Hs/Hk rec)2/kBT≧40
Hs=Mstref(dref/2)2/2μ0[{(dref/2)2+tbar 2}3/2]
を満たすことを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 請求項1記載の磁気抵抗効果素子において、前記参照層と前記非磁性層と前記記録層は円形構造、楕円構造若しくは多角形構造であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
- 請求項1記載の磁気抵抗効果素子において、
前記参照層と前記非磁性層と前記記録層は基板側からこの順に積層されており、
前記記録層をエッチング加工するとき前記非磁性層の表面まで若しくは前記非磁性層の途中までエッチングされていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 請求項1記載の磁気抵抗効果素子において、
前記参照層と前記非磁性層と前記記録層は基板側からこの順に積層されており、
前記記録層をエッチング加工するとき前記参照層の表面までエッチングされていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 請求項1記載の磁気抵抗効果素子において、
前記参照層と前記非磁性層と前記記録層は基板側からこの順に積層されており、
前記参照層の面積が前記記録層の面積より大きいテーパー構造を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 請求項1記載の磁気抵抗効果素子において、
前記参照層と前記記録層のうち少なくとも一方を構成する強磁性層が、3d遷移金属を少なくとも1種類含む強磁性材料で構成されていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 請求項1記載の磁気抵抗効果素子において、前記非磁性層は酸化膜であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
- 請求項1記載の磁気抵抗効果素子において、
前記参照層と前記記録層のうち少なくとも一方は、Co,Feのうち少なくとも一つを含み、膜厚が3nm以下である強磁性層であり、
前記非磁性層は酸化マグネシウムであることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 請求項1記載の磁気抵抗効果素子において、前記参照層の前記非磁性層と反対側の界面に酸化物からなる非磁性層を備えることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
- 請求項1記載の磁気抵抗効果素子において、前記参照層の前記非磁性層と反対側の界面にPt,Pd、又はこれらの材料を少なくとも1種類含む材料からなる非磁性層を備えることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
- 請求項1記載の磁気抵抗効果素子において、前記記録層の前記非磁性層と反対側の界面に酸化物からなる非磁性層を備えることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
- 相互に平行に配置された複数のビット線と、
前記ビット線と平行な方向に、互いに平行に配置された複数のソース線と、
前記ビット線と交差する方向に、互いに平行に配置された複数のワード線と、
前記ビット線と前記ワード線とが交差する部分に配置された請求項1〜12記載のいずれか1項記載の磁気抵抗効果素子とを備え、
前記ビット線は前記磁気抵抗効果素子の一端に電気的に接続され、
前記磁気抵抗効果素子の他端は選択トランジスタのドレイン電極に電気的に接続され、
前記ソース線は前記選択トランジスタのソース電極に電気的に接続され、
前記ワード線は前記選択トランジスタのゲート電極に電気的に接続され、
前記磁気抵抗効果素子の膜面垂直方向に電流を印加する機構を備えていることを特徴とする磁気メモリ。
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