JP2013069819A - 磁気記憶素子及び不揮発性記憶装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】実施形態によれば、第1、第2積層部を含む磁気記憶素子が提供される。第1積層部は、第1強磁性層/第1非磁性層/第2強磁性層を含む。第1強磁性層の磁化は面直に固定され、第2強磁性層の磁化方向は面直に可変である。第2積層部は、第3強磁性層/第2非磁性層/第4強磁性層を含む。第3強磁性層の磁化方向は面内方向に可変であり、第4強磁性層の磁化は面直に固定されている。第3強磁性層の位置での第1、第2、第4強磁性層からの漏れ磁界Hs、第3強磁性層の磁気異方性Ku、ダンピング定数α、磁化Ms及び反磁界係数Nzは、Ku≦αMs(8πNzMs−Hs)を満たす。電流によりスピン偏極した電子と、第3強磁性層で発生する回転磁界と、を第2強磁性層に作用させ、第2強磁性層の磁化方向を決定できる。
【選択図】図1
Description
の関係を満たす。前記積層方向に沿って前記積層体に電流を流すことによりスピン偏極した電子を前記第2強磁性層に作用させ、且つ、前記第3強磁性層の磁化を歳差運動させることにより発生する回転磁界を前記第2強磁性層に作用させることにより、前記第2強磁性層の磁化の方向を前記電流の向きに応じた方向に決定可能である。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図1は、第1の実施形態に係る磁気記憶素子の構成を例示する模式的断面図である。
図1に表したように、実施形態に係る磁気記憶素子110は、積層体SB0を備える。積層体SB0は、第1積層部SB1と、第2積層部SB2と、を含む。
図2(a)は、垂直磁化膜における磁化を例示している。図2(b)は、面内磁化膜における磁化を例示している。
これらの図は、磁気記憶素子110における「書き込み」動作の際の第1積層部SB1の状態を例示している。これらの図では、第2積層部SB2及び第3非磁性層30nは省略されている。
磁気記憶素子110における第2強磁性層20の磁化の方向の検出は、例えば、磁気抵抗効果を利用して実施される。磁気抵抗効果においては、各層の磁化の相対的な向きにより電気抵抗が変わる。磁気抵抗効果を利用する場合、第1強磁性層10と第2強磁性層20との間にセンス電流を流し、磁気抵抗が測定される。センス電流の電流値は、記憶時に流す電子電流60に対応する電流値よりも小さい。
これらの図は、磁気記憶素子110における「読み出し」動作の際の第1積層部SB1の状態を例示している。これらの図では、第2積層部SB2及び第3非磁性層30nは省略されている。
ノーマルタイプの磁気抵抗効果においては、図4(a)の状態の抵抗は、図4(b)の状態の抵抗よりも低い。リバースタイプの磁気抵抗効果においては、図4(a)の状態の抵抗は、図4(b)の状態の抵抗よりも高い。
図5(a)及び図5(b)は、第1の実施形態に係る別の磁気記憶素子の構成を例示する模式的断面図である。
図5(a)及び図5(b)に表したように実施形態に係る磁気記憶素子111a及び111bにおいては、第1強磁性層10は、第2強磁性層20と第4強磁性層40との間に配置され、第4強磁性層40は、第1強磁性層10と第3強磁性層30との間に配置されている。第3非磁性層30nは、第1強磁性層10と第4強磁性層40との間に配置されている。第1〜第4強磁性層10〜40がこの順に配列する構成を便宜的に第1積層構成ということにする。
図6(a)及び図6(b)に表したように実施形態に係る磁気記憶素子112a及び112bにおいても、積層体SB0は、第1積層構成を有する。なお、磁気記憶素子112bは、図1に例示した磁気記憶素子110と同じ構成を有している。
図7(a)及び図7(b)に表したように実施形態に係る磁気記憶素子112c及び112dにおいては、積層体SB0は、第1積層構成を有している。そして、これらにおいては、第1強磁性層10の磁化の向き及び第4強磁性層40の磁化の向きが膜面に対して斜めである。この場合も、第1の方向に固定された磁化(第1強磁性層10の磁化)の垂直斜影成分の向きは、第2の方向に固定された磁化(第4強磁性層40の磁化)の垂直斜影成分の向きに対して逆向きである。
図8(a)及び図8(b)に表したように、実施形態に係る磁気記憶素子121a及び121bにおいては、第2強磁性層20は、第1強磁性層10と第3強磁性層30との間に配置され、第3強磁性層30は、第2強磁性層20と第4強磁性層40との間に配置されている。第3非磁性層30nは、第2強磁性層20と第3強磁性層30との間に配置されている。第1〜第4強磁性層10〜40がこの順に配列する構成を便宜的に第2積層構成ということにする。
図9(a)及び図9(b)に表したように、実施形態に係る磁気記憶素子131a及び131bにおいては、第2強磁性層20は、第1強磁性層10と第4強磁性層40との間に配置され、第4強磁性層40は、第2強磁性層20と第3強磁性層30との間に配置されている。第3非磁性層30nは、第2強磁性層20と第4強磁性層40との間に配置されている。第1〜第4強磁性層10〜40がこの順に配列する構成を便宜的に第3積層構成ということにする。
図10(a)及び図10(b)に表したように、実施形態に係る磁気記憶素子141a及び141bにおいては、第1強磁性層10は、第2強磁性層20と第3強磁性層30との間に配置され、第3強磁性層30は、第1強磁性層10と第4強磁性層40との間に配置されている。第3非磁性層30nは、第1強磁性層10と第3強磁性層30との間に配置されている。第1〜第4強磁性層10〜40がこの順に配列する構成を便宜的に第4積層構成ということにする。
図11に表したように、実施形態に係る磁気記憶素子112bsにおいては、第1積層部SB1の側面に対向する磁気シールド51が設けられる。この例では、磁気シールド51は、さらに、第2積層部SB2の側面、及び、第3非磁性層30nの側面に対向している。
すなわち、第2式が満たされるとき、第3強磁性層30において発振が生じる電流範囲が存在し、安定した動作が可能になる。
本願発明者は、第3強磁性層30における発振特性をシミュレーションした。このシミュレーションでは、図1に例示した磁気記憶素子110において、以下の条件を採用した。ただし、このシミュレーションでは、第2積層部SB2の発振特性を評価するために、第1積層部SB1が設けられておらず第2積層部SB2が設けられているモデルに関してシミュレーションを行った。
第3強磁性層30の厚さは、3nmとした。第3強磁性層30は、800emu/ccの磁化Msを有する面内磁化膜とした。
第4強磁性層40の厚さは、8nmとした。第4強磁性層40は、1000emu/ccの磁化を有する垂直磁化膜とした。
第2非磁性層20nは、Cu層(厚さ8nm)とした。
第3強磁性層30のダンピング定数αは、0.01とした。第3強磁性層30のスピン偏極度は、0.4とした。
同図は、第3強磁性層30における発振の周波数の電流依存性を表している。横軸は、電流Ic(μA:マイクロアンペア)であり、縦軸は、周波数f(GHz:ギガヘルツ)である。
ここで、γはジャイロ定数であり、αはダンピング定数である。ajは、第3強磁性層30におけるスピントルクの大きさを表す。Msは、第3強磁性層30の磁化を表す。第3式の右辺の第1項は歳差項を表し、第2項はダンピング項を表す。
上記の漏れ磁界Hsは、各層の構成を基に、R. Engel-Herbert and T. Hesjedal : J. Appl. Phys., 97 (2005) 074504に記載の方法により、解析的に求めることができる。
同図は、第3強磁性層30に電流Icを流し始めてからの第3強磁性層30の磁化の方向の変化を表している。横軸は、時間t(ns:ナノ秒)である。縦軸は、角度θ(度)である。角度θは、第3強磁性層30の磁化の方向と、積層方向SD1(Z軸)と、の間の角度である。また、単位系として「°:度」から「rad:ラジアン」への変換は、「rad=(2π/360)×度」である。
横軸は電流Icであり、縦軸は、磁化の膜面直方向割合Anr(第3強磁性層30が発振状態を維持しているときにおける、第3強磁性層30の磁化ベクトルのZ軸に対して平行な成分の、磁化ベクトルに対する比率)である。
本実施形態に係る磁気記憶素子(例えば磁気記憶素子110など)のように、第2積層部SB2が第1積層部SB1と積層される構造では、第2強磁性層20の記憶状態(磁化状態)を読み出すために流す読み出し電流IRによって、第3強磁性層30が発振しないこと(誤書き込みが生じないこと)が望ましい。読み出し電流IRは、読み出し動作の際に積層体SB0に流される電流(すなわち、第3強磁性層30に流される電流)である。
ここで、hはプランク定数(約6.626×10−27erg・s:エルグ・秒)を表す。なお、6.626×10−27erg・s(エルグ・秒)は、6.626×10−34J・s(ジュール・秒)に相当する。eは電気素量(約1.602×10−19A・S:アンペア・秒)を表している。g(θ)は、スピン偏極度に依存するスピントランスファの効率を表すパラメータである。g(θ)は、偏極度、及び、第3強磁性層30の磁化の角度θの関数として解析的に求められる。スピン偏極度は、例えば第3強磁性層30のMR比から求められる。第6式における角度θの単位は、ラジアン(rad)である。角度θは、第3強磁性層30の寸法及び有効磁界の大きさがわかれば、解析的に求めても良い。または、角度θは、第3強磁性層30のMR比から求めても良い。
すなわち、漏れ磁界Hs、第3強磁性層30の磁気異方性Ku、第3強磁性層30のダンピング定数α、第3強磁性層30の磁化Ms、第3強磁性層30の反磁界係数Nz、読み出し電流IRが、上記の第7式の関係を満たすとき、読み出し時の誤書き込みを回避しつつ、発振する電流範囲が確保できる。
横軸は、読み出し電流IR(μA)である。縦軸は、第7式のおける左辺(磁気異方性Kuの下限値Ku(min))である。図15には、第7式の左辺が第2項を有さず第1項だけを有する場合(反磁界の影響を考慮しない場合:case1)と、第7式の左辺が第1項及び第2項を有する場合(反磁界の影響を考慮した場合:case2)の特性が示されている。
第3非磁性層30nに用いられる非磁性金属層には、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)、クロム(Cr)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、パラジウム(Pd)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、白金(Pt)、ビスマス(Bi)、イリジウム(Ir)及びオスミウム(Os)よりなる群から選択された少なくともいずれかの非磁性金属、または、上記の群から選択された2つ以上の元素を含む合金を用いることができる。
電極には、導電性の磁性材料または導電性の非磁性材料が用いられる。導電性の磁性材料の例としては、第3強磁性層30及び第4強磁性層40に用いられる材料と同様の材料を挙げることができる。
第2強磁性層20の位置において膜面に対して垂直な方向にかかる漏洩磁界を低減させる(例えば打ち消す)ことができる。一方、第3強磁性層30の位置において膜面に対して垂直な方向にかかる漏洩磁界を残留させ、作用させることができる。
以下の説明において、「材料A\材料B」は、材料Aの上に材料Bが積層されていることを指す。
まず、ウェーハ上に下部電極(図示せず)を形成した後、そのウェーハを超高真空スパッタ装置内に配置する。次に、下部電極上に、Ta\Ru層(電極とのコンタクト層、兼ストッパー層)、FePd\CoFeB層(磁気記憶部の第2強磁性層)、MgO(第1非磁性層)、CoFeB\FePt層(磁気記憶部の第1強磁性層)、Ru(第3非磁性層)、FePt\CoFeB\Cu\Py層(磁界発生部)および、その上にTa(電極とのコンタクト層)による層をこの順に積層させる。ここで、磁界中でアニールすることによって、FePd\CoFeB層とCoFeB\FePt層の膜面垂直方向の磁気異方性の強さを調節することもできる。
図16は、第2の実施形態に係る不揮発性記憶装置の構成を例示する模式図である。
図16に表したように、本実施形態に係る不揮発性記憶装置340は、メモリセルアレイMCAを備える。メモリセルアレイMCAは、マトリクス状に配列された複数のメモリセルMCを有する。
図17は、1つのメモリセルMCの部分を例示している。この例では、磁気記憶素子110が用いられているが、実施形態に係る任意の磁気記憶素子を用いることができる。
Claims (10)
- 膜面に対して垂直な成分を有する第1の方向に磁化が固定された第1強磁性層と、
磁化の方向が膜面に対して垂直な方向に可変である第2強磁性層と、
前記第1強磁性層と前記第2強磁性層との間に設けられた第1非磁性層と、
を含む第1積層部と、
前記第1強磁性層、前記第2強磁性層及び前記第1非磁性層が積層される積層方向に沿って前記第1積層部と積層された第2積層部であって、
磁化の方向が膜面に対して平行な方向に可変である第3強磁性層と、
前記第3強磁性層と前記積層方向に沿って積層され膜面に対して垂直な成分を有する第2の方向に磁化が固定された第4強磁性層と、
前記第3強磁性層と前記第4強磁性層との間に設けられた第2非磁性層と、
を含む第2積層部と、
を含む積層体を備え、
前記第3強磁性層の位置における前記第1強磁性層、前記第2強磁性層及び前記第4強磁性層からの漏れ磁界Hs(Oe)、前記第3強磁性層の磁気異方性Ku(erg/cm3)、前記第3強磁性層のダンピング定数α、前記第3強磁性層の磁化Ms(emu/cc)、及び、前記第3強磁性層の反磁界係数Nzは、
の関係を満たし、
前記積層方向に沿って前記積層体に電流を流すことによりスピン偏極した電子を前記第2強磁性層に作用させ、且つ、前記第3強磁性層の磁化を歳差運動させることにより発生する回転磁界を前記第2強磁性層に作用させることにより、前記第2強磁性層の磁化の方向を前記電流の向きに応じた方向に決定可能としたことを特徴とする磁気記憶素子。 - 前記第1の方向は、前記第2の方向に対して逆向きであることを特徴とする請求項1記載の磁気記憶素子。
- 前記積層体は、前記第1積層部と前記第2積層部との間に設けられた第3非磁性層をさらに含み、
前記第3非磁性層は、ルテニウム(Ru)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、モリブデン(Mo)、ニオブ(Nb)、ジルコニウム(Zr)、チタン(Ti)、及び、バナジウム(V)よりなる群から選択されたいずれかの金属、または、前記群から選択された少なくとも2つ以上を含む合金を含むことを特徴とする請求項1または2に記載の磁気記憶素子。 - 前記積層体は、前記第1積層部と前記第2積層部との間に設けられた第3非磁性層をさらに含み、
前記第3非磁性層は、ルテニウム(Ru)、オスミウム(Os)、及び、イリジウム(Ir)よりなる群から選択されたいずれかの金属、または、前記群から選択された少なくとも2つ以上を含む合金を含み、
前記第3非磁性層の厚さは、3ナノメートル以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の磁気記憶素子。 - 前記漏れ磁界Hs(Oe)、前記第3強磁性層の磁気異方性Ku(erg/cm3)、前記第3強磁性層のダンピング定数α、前記第3強磁性層の磁化Ms(emu/cc)、及び、前記第3強磁性層の反磁界係数Nz、前記第3強磁性層の体積V(cm3)、及び、読み出し動作の際に前記第3強磁性層に流される読み出し電流IR(A)は、
の関係(hはプランク定数(erg・s)、eは電気素量(A・s)、θは、前記第3強磁性層の前記磁化の方向と前記積層方向との間の角度(rad)、g(θ)は、スピン偏極度に依存するスピントランスファの効率を表すパラメータ)を満たすことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の磁気記憶素子。 - 前記積層体の少なくとも一部の側面に対向する磁気シールドをさらに備えたことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1つに記載の磁気記憶素子。
- 請求項1〜8のいずれか1つに記載の磁気記憶素子と、
前記磁気記憶素子の一端に直接または間接に接続された第1の配線と、
前記磁気記憶素子の他端に直接または間接に接続された第2の配線と、
を備えたことを特徴とする不揮発性記憶装置。 - 前記磁気記憶素子と前記第1の配線との間、及び、前記磁気記憶素子と前記第2の配線の間の少なくともいずれかの間に設けられた選択トランジスタをさらに備えたことを特徴とする請求項9記載の不揮発性記憶装置。
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