JP2013115318A - 記憶素子、記憶装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】記憶素子は、情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、非磁性体による中間層と、上記記憶層に対して、上記中間層を介して設けられ、磁化の向きが固定された磁化固定層とを有する層構造を備える。
そして、上記記憶層は、少なくとも2つの強磁性層が結合層を介して積層され、上記2つの強磁性層が上記結合層を介して磁気的に結合し、上記2つの強磁性層の磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜しており、上記層構造の積層方向に電流を流すことにより、上記記憶層の磁化状態が変化して、上記記憶層に対して情報の記録が行われる。
【選択図】図5
Description
この反転のための電流の絶対値は0.1μm程度のスケールの素子で1mA以下である。しかもこの電流値が素子体積に比例して減少するため、スケーリングが可能である。さらに、MRAMで必要であった記録用電流磁界発生用のワード線が不要であるため、セル構造が単純になるという利点もある。
以下、スピントルク磁化反転を利用したMRAMを、ST−MRAM(Spin Torque-Magnetic Random Access Memory)と呼ぶ。スピントルク磁化反転は、またスピン注入磁化反転と呼ばれることもある。高速かつ書換え回数がほぼ無限大であるというMRAMの利点を保ったまま、低消費電力化、大容量化を可能とする不揮発メモリとして、ST−MRAMに大きな期待が寄せられている。
初期状態の磁化角度がこの角度に一致したとき、磁化反転に必要な時間が非常に大きくなる。そのため、書き込み時間内に磁化反転が完了しない場合も有りうる。
書き込み時間内に反転が完了しないと、その書き込み動作は失敗(書き込みエラー)となり、正常な書き込み動作を行えないことになる。
そして、上記記憶層は、少なくとも2つの強磁性層が結合層を介して積層され、上記2つの強磁性層が上記結合層を介して磁気的に結合し、上記2つの強磁性層の磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜しており、上記層構造の積層方向に電流を流すことにより、上記記憶層の磁化状態が変化して、上記記憶層に対して情報の記録が行われる。
そして、上記2種類の配線の間に上記記憶素子が配置され、上記2種類の配線を通じて、上記記憶素子に上記積層方向の電流が流れる。
記憶層の磁化の向きを反転させるために必要となる書き込み電流値を低減することができる。
一方で、垂直磁化膜の有する強い磁気異方性エネルギのために記憶層の熱安定性を十分に保つことができる。
また、上記記憶層の熱安定性は十分に保つことができるため、記憶素子に記録された情報を安定に保持し、かつ記憶装置の微細化、信頼性の向上、低消費電力化を実現することが可能になる。
書き込みエラーを低減することができるので、書き込み動作の信頼性を向上することができる。
また、より短い時間で書き込み動作を行うことができるので、動作の高速化を図ることができる。
従って、本開示により、書き込み動作の信頼性が高く、高速に動作する記憶装置を実現することが可能になる。
<1.実施の形態の記憶装置の概略構成>
<2.実施の形態の記憶素子の概要>
<3.実施の形態の具体的構成>
<4.変形例>
まず、記憶装置の概略構成について説明する。
記憶装置の模式図を、図1、図2及び図3に示す。図1は斜視図、図2は断面図である。図3は平面図である。
即ち、シリコン基板等の半導体基体10の素子分離層2により分離された部分に、各記憶装置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8、ソース領域7、並びにゲート電極1が、それぞれ形成されている。このうち、ゲート電極1は、図中前後方向に延びる一方のアドレス配線(ワード線)を兼ねている。
そして、ソース領域7と、上方に配置された、図1中左右方向に延びるビット線6との間に、スピントルク磁化反転により磁化の向きが反転する記憶層を有する記憶素子3が配置されている。この記憶素子3は、例えば磁気トンネル接合素子(MTJ素子)により構成される。
また、記憶素子3は、ビット線6と、ソース領域7とに、それぞれ上下のコンタクト層4を介して接続されている。
これにより、2種類のアドレス配線1、6を通じて、記憶素子3に上下方向の電流を流して、スピントルク磁化反転により記憶層14の磁化M14の向きを反転させることができる。
記憶素子3は、平面形状が円形状とされ、図2に示した断面構造を有する。
また、記憶素子3は、図2に示したように、磁化固定層12と記憶層(自由磁化層)14を有している。
そして、各記憶素子3によって、記憶装置のメモリセルが構成される。
このように中間層としてトンネル絶縁層を用いた場合には、トンネル絶縁層が絶縁破壊することを防ぐために、記憶素子3に流す電流量に制限が生じる。すなわち記憶素子3の繰り返し書き込みに対する信頼性の確保の観点からも、スピントルク磁化反転に必要な電流を抑制することが好ましい。なお、スピントルク磁化反転に必要な電流は、反転電流、記憶電流などと呼ばれることがある。
記憶層の熱安定性が確保されていないと、反転した磁化の向きが、熱(動作環境における温度)により再反転する場合があり、保持エラーとなってしまう。
本記憶装置における記憶素子3(ST−MRAM)は、従来のMRAMと比較して、スケーリングにおいて有利、すなわち体積を小さくすることは可能であるが、体積が小さくなることは、他の特性が同一であるならば、熱安定性を低下させる方向にある。
ST−MRAMの大容量化を進めた場合、記憶素子3の体積は一層小さくなるので、熱安定性の確保は重要な課題となる。
そのため、ST−MRAMにおける記憶素子3において、熱安定性は非常に重要な特性であり、体積を減少させてもこの熱安定性が確保されるように設計する必要がある。
続いて、実施の形態の記憶素子の概要について説明する。
磁化の向きが膜面に垂直な場合のST−MRAMの記憶素子の概略構成図(断面図)を、図4に示す。
このうち、磁化固定層12は、高い保磁力等によって、磁化M12の向きが膜面に対して垂直方向に固定されている。
記憶素子への情報の書き込みは、記憶素子の各層の膜面に垂直な方向(即ち、各層の積層方向)に電流を印加して、記憶層14となる自由磁化層にスピントルク磁化反転を起こさせることにより行う。
電子は、2種類のスピン角運動量をもつ。仮にこれを上向き、下向きと定義する。
非磁性体の内部では、上向きのスピン角運動量を持つ電子と、下向きのスピン角運動量を持つ電子の両者が同数であり、強磁性体の内部では両者の数に差がある。
磁化固定層12を通過した電子は、スピン偏極、即ち、上向きと下向きの数に差が生じている。
非磁性層13の厚さが十分に薄いと、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、即ち、記憶層(自由磁化層)14に達する。
そして、2層の強磁性体(磁化固定層12及び自由磁化層14)のスピン偏極度の符号が逆になっていることにより、系のエネルギを下げるために、一部の電子は、反転する、即ち、スピン角運動量の向きが変わる。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(自由磁化層)14の磁化M14にも与えられる。
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(自由磁化層)14の磁化M14は、歳差運動を開始して、記憶層(自由磁化層)14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。
そして、反射されてスピンの向きが反転した電子が、自由磁化層14に進入する際にトルクを与えて、記憶層(自由磁化層)14の磁化M14の向きを反転させるので、互いの磁化M12,M14を反平行状態へと反転させることができる。
ただし、この際に、反転を起こすのに必要な電流量は、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。
即ち、上述のように説明した情報の記録の場合と同様に、各層の膜面に垂直な方向(各層の積層方向)に電流を流す。そして、記憶層(自由磁化層)14の磁化M14の向きが磁化固定層(参照層)12の磁化M12の向きに対して、平行であるか反平行であるかに従って、記憶素子の示す電気抵抗が変化する現象を利用する。
磁化M14の向きを表す単位ベクトルをm1とし、磁化M12の向きを表す単位ベクトルをm2とすると、スピントルクの大きさは、m1×(m1×m2)に比例する。ここで、“×”はベクトルの外積である。
現実には、記憶層14の磁化M14は、熱揺らぎによって磁化容易軸の周りにランダムに分布しているために、磁化固定層12の磁化M12とのなす角度が、0度もしくは180度から離れたときに、スピントルクが働き、磁化反転を起こすことができる。
ここで、Ic0はスピントルク磁化反転が生じるのに必要な閾値電流、ηは電流Iのスピン偏極率、eは電子の電荷、Msは磁化M14の飽和磁化、Vは記憶層14の体積、μBはボーア磁子である。
左辺は、記憶層14に注入されるスピンの個数に対応する。右辺は記憶層14に存在するスピンの個数に対応する。ただし、その個数は対数項によってスケーリングされている。なお、励起エネルギEは電流を印加した時点での磁化の方向に対応した値を用いる。
この式を見てわかるように、励起エネルギEが0に近づくにつれて、反転時間tsは無限大に発散する。前述したように、磁化M14は熱揺らぎがない場合にはE=0となる磁化容易軸を向くため、反転時間の発散が問題となる。
上述の本開示の記憶装置の構成によれば、記憶層を構成する強磁性層間の磁気的結合によって、記憶層及び磁化固定層のそれぞれの磁化の向きがほぼ平行又は反平行になることによる、磁化反転に要する時間の発散を抑えることができるので、所定の有限の時間内に記憶層の磁化の向きを反転させて情報の書き込みを行うことが可能になる。
続いて、本開示の具体的な実施の形態を説明する。
本開示の実施の形態の記憶装置を構成する記憶素子の概略構成図(断面図)を、図5に示す。
磁化固定層22は、磁化M22の向きが、磁化固定層22の膜面に垂直な方向(図4の場合は図中上向き)に固定されている。
ここまでは、図4に示したST−MRAMの構成と同様である。
なお、図示しないが、下地層21と磁化固定層22との間に、磁化固定層22の磁化M22の向きを固定するために、反強磁性体から成る反強磁性層を設けてもよい。
この中間層(非磁性層)23の材料として、絶縁材料を用いると、前述したように、より高い読み出し信号(抵抗の変化率)が得られ、かつ、より低い電流によって記録が可能となる。
例えば、磁化固定層22にCoFeを使用して、記憶層24にCoFeBを使用することができる。
或いは、NiFe、TePt、CoPt、TbFeCo、GdFeCo、CoPd、MnBi、MnGa、PtMnSb、Co−Cr系材料等を用いることができる。また、これらの材料以外の、磁性材料を使用することが可能である。
即ち、上述のように説明した情報の記録の場合と同様に、各層の膜面に垂直な方向(各層の積層方向)に電流を流す。そして、磁化固定層22の磁化M22と強磁性層24aの磁化M1の相対角度によって、記憶素子の示す電気抵抗が変化する現象を利用する。
Δ1及びΔ2がともに正であれば、Δexの大きさによらず、平衡状態の磁化角度は垂直軸に平行となる。これでは、図4の記憶素子3と同じであって、反転時間の増大は免れない。一方、Δ1及びΔ2がともに負であれば、Δexの大きさによらず、平衡状態の磁化角度は膜面内となる。このとき、φ1がどのような値をとっても。磁化固定層22の磁化22と強磁性層24aの磁化M1の相対角度は一定の90度となるため、磁気抵抗効果による抵抗の変化が起きず、情報を読み出すことができないので、ST−MRAMを構成する記憶素子として用いることはできない。以上のように、本開示に係わる記憶素子20においては、Δ1とΔ2の符号が異なっていなければならない。
Δexmax=abs(2×Δ1×Δ2/(Δ1+Δ2))
と書けることが分かった。ここで、absは絶対値を返す関数である。今、Δexが正の時のみを考えているが、同様の式はΔexが負のときにも成り立つ。結局のところ、磁化M1と磁化M2が斜め方向になるための条件は、
abs(Δex)<abs(2×Δ1×Δ2/(Δ1+Δ2))
となる。
今、熱安定性の指標Δの設計値をΔ0とする。そうすると、図8より、Δexを調整したときにΔ=Δ0となりうる条件は、Δ1+Δ2<Δ0<Δ1である。図8はΔ1>0>Δ2のときを示したが、Δ2>0>Δ1のときも考慮すると、Δ1及びΔ2が満たさなければならない条件は、Δ1+Δ2<Δ0<max(Δ1,Δ2)となる。ここで、maxは最大値を返す関数である。
そして、直線L61より下側かつ直線L62よりも右側の領域D64と、直線L61より下側かつ直線L63よりも上側の領域D65とが、条件Δ1+Δ2<Δ0<max(Δ1,Δ2)を満たすΔ1及びΔ2の範囲である。
Δ1及びΔ2が領域D64或いは領域D65内にあれば、熱安定性の指標Δを設計値であるΔ0になるようにΔexを調整することができ、かつ、そのときに磁化M1及び磁化M2の向きを垂直軸から斜め方向に傾けることができる。なお、Δ1とΔ2はその符号が互いに異なっていなければならないことを先に述べたが、Δ1及びΔ2が領域D64或いは領域D65内にあるとき、この条件は自動的に満たされている。
図10はある電流における励起エネルギEと反転時間tsの関係を示したものである。横軸の励起エネルギEは対数スケールでプロットしている。ここで、励起エネルギEは電流を印加した時点における磁化方向から計算される値を用いる。磁化方向は熱揺らぎによって平衡状態からずれるが、励起エネルギEが大きいほど(図10で言えば右側に行くほど)そのずれが大きいことを意味する。
この記憶装置は、図に示すように、マトリクス状に直交配置させたそれぞれ多数の第1の配線(例えばビット線)1及び第2の配線(例えばワード線)6の交点に、記憶素子20を配置して構成されてなる。
記憶素子20は、平面形状が円形状とされ、図5に示した断面構造を有する。
また、記憶素子20は、図5に示したように、磁化固定層22と記憶層(自由磁化層)24を有している。
そして、各記憶素子20によって、記憶装置のメモリセルが構成される。
そして、この電流を記憶素子20に流すことにより、記憶層24の磁化の向きを反転させて、情報の記録を行うことができる。具体的には、図4のST−MRAMと同様に、記憶素子20に流す電流の極性(電流の方向)を変えることにより、記憶層24の磁化の向きを反転させて、情報の記録を行う。
積層構造とすることで、強磁性層24aの磁化M1及び強磁性層24cの磁化M2が膜面内に垂直な軸に対して傾いた方向とすることができる。
これによって、磁化M1及び磁化M2に対するスピントルクが働かなくなる現象を回避することができる。
即ち、所定の有限の時間内で磁化M1及び磁化M2の向きを反転させて、情報を記録することが可能になる。
書き込みエラーを低減することができるので、書き込み動作の信頼性を向上することができる。
また、より短い時間で書き込み動作を行うことができるので、動作の高速化を図ることができる。
即ち、書き込み動作の信頼性が高く、高速に動作する記憶装置を実現することが可能になる。
本開示では、3層構造以外でも任意の層数の積層構造としても構わない。
上述の実施の形態のように、磁化固定層22を下層側にした場合には、図示しない反強磁性層等、比較的厚い層が下層側になるため、上層側にある構成よりも、記憶素子をパターニングするエッチングが容易にできる利点を有する。
本開示の記憶素子3もしくは記憶素子20の構造は、TMR素子等の磁気抵抗効果素子の構成となるが、このTMR素子としての磁気抵抗効果素子は、上述の記憶装置のみならず、磁気ヘッド及びこの磁気ヘッドを搭載したハードディスクドライブ、集積回路チップ、さらにはパーソナルコンピュータ、携帯端末、携帯電話、磁気センサ機器をはじめとする各種電子機器、電気機器等に適用することが可能である。
複合型磁気ヘッド100は、ハードディスク装置等に用いられる磁気ヘッドであり、基板122上に、本開示の技術を適用した磁気抵抗効果型磁気ヘッドが形成されてなるとともに、当該磁気抵抗効果型磁気ヘッド上にインダクティブ型磁気ヘッドが積層形成されてなる。ここで、磁気抵抗効果型磁気ヘッドは、再生用ヘッドとして動作するものであり、インダクティブ型磁気ヘッドは、記録用ヘッドとして動作する。すなわち、この複合型磁気ヘッド100は、再生用ヘッドと記録用ヘッドを複合して構成されている。
第1の磁気シールド125は、磁気抵抗効果素子101の下層側を磁気的にシールドするためのものであり、Ni−Fe等のような軟磁性材からなる。この第1の磁気シールド125上に、絶縁層123を介して磁気抵抗効果素子101が形成されている。
この磁気抵抗効果素子101は、略矩形状に形成されてなり、その一側面が磁気記録媒体対向面に露呈するようになされている。そして、この磁気抵抗効果素子101の両端にはバイアス層128,129が配されている。またバイアス層128,129と接続されている接続端子130,131が形成されている。接続端子130,131を介して磁気抵抗効果素子101にセンス電流が供給される。
さらにバイアス層128,129の上部には、絶縁層123を介して第2の磁気シールド層127が設けられている。
上層コア132は、第2の磁気シールド122と共に閉磁路を形成して、このインダクティブ型磁気ヘッドの磁気コアとなるものであり、Ni−Fe等のような軟磁性材からなる。ここで、第2の磁気シールド127及び上層コア132は、それらの前端部が磁気記録媒体対向面に露呈し、且つ、それらの後端部において第2の磁気シールド127及び上層コア132が互いに接するように形成されている。ここで、第2の磁気シールド127及び上層コア132の前端部は、磁気記録媒体対向面において、第2の磁気シールド127及び上層コア132が所定の間隙gをもって離間するように形成されている。
すなわち、この複合型磁気ヘッド100において、第2の磁気シールド127は、磁気抵抗効果素子126の上層側を磁気的にシールドするだけでなく、インダクティブ型磁気ヘッドの磁気コアも兼ねており、第2の磁気シールド127と上層コア132によってインダクティブ型磁気ヘッドの磁気コアが構成されている。そして間隙gが、インダクティブ型磁気ヘッドの記録用磁気ギャップとなる。
(1)情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、
非磁性体による中間層と、
上記記憶層に対して、上記中間層を介して設けられ、磁化の向きが固定された磁化固定層とを有する層構造を備え、
上記記憶層は、少なくとも2つの強磁性層が結合層を介して積層され、上記2つの強磁性層が上記結合層を介して磁気的に結合し、上記2つの強磁性層の磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜しており、
上記層構造の積層方向に電流を流すことにより、上記記憶層の磁化状態が変化して、上記記憶層に対して情報の記録が行われる記憶素子。
(2)上記2つの強磁性層のうち、一方の強磁性層の磁気エネルギであり、磁化が膜面内にあるときの磁気エネルギの値から、上記磁化が膜面に垂直であるときの磁気エネルギを引いた値となる磁気エネルギを上記一方の強磁性層は有し、
上記2つの強磁性層のうち、他方の強磁性層の磁気エネルギであり、磁化が膜面内にあるときの磁気エネルギの値から、上記磁化が膜面に垂直であるときの磁気エネルギを引いた値となる磁気エネルギを上記他方の強磁性層は有し、
上記一方の強磁性層の磁気エネルギの符号と上記他方の強磁性層の磁気エネルギの符号とが異なっている上記(1)に記載の記憶素子。
(3)上記2つの強磁性層は、上記結合層を介して、所定の磁気エネルギで磁気的に結合しており、
該磁気エネルギの絶対値は、上記一方の強磁性層の磁気エネルギと上記他方の強磁性層の磁気エネルギとの積を上記一方の強磁性層の磁気エネルギと上記他方の強磁性層の磁気エネルギとの和で除した値を2倍した値の絶対値よりも小さい上記(2)に記載の記憶素子。
(4)上記一方の強磁性層の磁気エネルギ値と上記他方の磁気エネルギ値とを加算した値と、上記一方の磁気エネルギと上記他方の磁気エネルギとのいずれかの値の最大値との間の値に熱安定性の指標の値が定められている上記(2)又は(3)に記載の記憶素子。
(5)上記熱安定性の指標の値が、40以上である(2)乃至(4)のいずれかに記載の記憶素子。
Claims (6)
- 情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、
非磁性体による中間層と、
上記記憶層に対して、上記中間層を介して設けられ、磁化の向きが固定された磁化固定層とを有する層構造を備え、
上記記憶層は、少なくとも2つの強磁性層が結合層を介して積層され、上記2つの強磁性層が上記結合層を介して磁気的に結合し、上記2つの強磁性層の磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜しており、
上記層構造の積層方向に電流を流すことにより、上記記憶層の磁化状態が変化して、上記記憶層に対して情報の記録が行われる記憶素子。 - 上記2つの強磁性層のうち、一方の強磁性層の磁気エネルギであり、磁化が膜面内にあるときの磁気エネルギの値から、上記磁化が膜面に垂直であるときの磁気エネルギを引いた値となる磁気エネルギを上記一方の強磁性層は有し、
上記2つの強磁性層のうち、他方の強磁性層の磁気エネルギであり、磁化が膜面内にあるときの磁気エネルギの値から、上記磁化が膜面に垂直であるときの磁気エネルギを引いた値となる磁気エネルギを上記他方の強磁性層は有し、
上記一方の強磁性層の磁気エネルギの符号と上記他方の強磁性層の磁気エネルギの符号とが異なっている請求項1に記載の記憶素子。 - 上記2つの強磁性層は、上記結合層を介して、所定の磁気エネルギで磁気的に結合しており、
該磁気エネルギの絶対値は、上記一方の強磁性層の磁気エネルギと上記他方の強磁性層の磁気エネルギとの積を上記一方の強磁性層の磁気エネルギと上記他方の強磁性層の磁気エネルギとの和で除した値を2倍した値の絶対値よりも小さい請求項2に記載の記憶素子。 - 上記一方の強磁性層の磁気エネルギ値と上記他方の磁気エネルギ値とを加算した値と、上記一方の磁気エネルギと上記他方の磁気エネルギとのいずれかの値の最大値との間の値に熱安定性の指標の値が定められている請求項3に記載の記憶素子。
- 上記熱安定性の指標の値が、40以上である請求項4に記載の記憶素子。
- 情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶素子と、
互いに交差する2種類の配線とを備え、
上記記憶素子は、
情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、
非磁性体による中間層と、
上記記憶層に対して、上記中間層を介して設けられ、磁化の向きが固定された磁化固定層とを有する層構造を備え、
上記層構造の積層方向に電流を流すことにより、上記記憶層の磁化状態が変化して、上記記憶層に対して情報の記録が行われるとともに、
上記記憶層が、少なくとも2つの強磁性層が結合層を介して積層され、上記2つの強磁性層が上記結合層を介して磁気的に結合し、上記2つの強磁性層の磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜している膜面に垂直な磁化を有し、
上記2種類の配線の間に上記記憶素子が配置され、
上記2種類の配線を通じて、上記記憶素子に上記積層方向の電流が流れる記憶装置。
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