JP2014229706A - 磁気トンネル接合素子および磁気メモリ - Google Patents

Abstract

【課題】意図しない磁化反転を抑制し、かつ消費電力を抑制すること。【解決手段】本発明は、強磁性体を有する固定層１４と、強磁性体を有する自由層１８と、前記固定層１４と前記自由層１８との間に設けられたトンネル絶縁膜１６と、前記自由層１８に対し絶縁膜２０を介し設けられた電極２２と、を具備する磁気トンネル接合素子である。また、本発明は、磁気トンネル接合素子と、前記自由層１８に磁場を印加する磁場印加部と、を具備する磁気メモリである。【選択図】図１

Description

本発明は、磁気トンネル接合素子および磁気メモリに関し、例えば自由層に対し絶縁膜を介し設けられた電極を有する磁気トンネル接合素子および磁気メモリに関する。

磁気トンネル接合（ＭＴＪ：Magnetic Tunnel Junction）素子は、固定層（ピン層ともいう）と自由層（フリー層ともいう）との間にトンネル絶縁膜を有する（非特許文献１）。磁気トンネル接合素子においては、自由層の磁化を反転させることにより、データを不揮発的に記録できる。このため、磁気トンネル接合素子は、ＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）等の磁気メモリに用いられる。

特許文献１には、キャリア濃度が増減することにより磁気異方性が変化する磁性体を用い、磁性体のキャリア濃度を制御することで、磁性体内の磁化方向を制御することが記載されている。

非特許文献２には、コバルトに電気二重層を介し電圧を印加することにより、コバルトの保磁力を制御することが記載されている。

国際公開第２００９／０４８０２５号

Appl. Phys. Lett. 89, 042505 (2006) Appl. Phys. Lett. 100, 122402 (2012)

磁気トンネル接合素子内の自由層の磁化方向が意図せず反転してしまうことがある。このような意図しない磁化方向の反転を抑制するためには、自由層の保磁力を大きくすることが好ましい。しかしながら、自由層の保磁力が大きくなると、自由層の磁化反転のための磁場が大きくなり、消費電力が増大する。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、意図しない磁化反転を抑制し、かつ消費電力を抑制することを目的とする。

本発明は、強磁性体を有する固定層と、強磁性体を有する自由層と、前記固定層と前記自由層との間に設けられたトンネル絶縁膜と、前記自由層に対し絶縁膜を介し設けられた電極と、を具備することを特徴とする磁気トンネル接合素子である。

上記構成において、前記電極に第１電圧が印加されるときの前記自由層の保磁力は、前記電極に第２電圧が印加されるときの前記自由層の保磁力より大きく、前記自由層の磁化方向を変更しないときに、前記電極に前記第１電圧が印加され、前記自由層の磁化方向を変更するときに、前記電極に前記第２電圧が印加される構成とすることがでできる。

本発明は、上記磁気トンネル接合素子と、前記自由層に磁場を印加する磁場印加部と、を具備することを特徴とする磁気メモリである。

上記構成において、前記電極に前記第１電圧が印加されるときの自由層の保磁力は、前記自由層の磁化方向を変更するときに前記自由層に印加される磁場より大きく、前記電極に前記第２電圧が印加されるときの自由層の保磁力は、前記自由層の磁化方向を変更するときに前記自由層に印加される磁場より小さい構成とすることができる。

本発明は、複数の上記磁気トンネル接合素子と、前記複数の磁気トンネル接合素子の前記自由層に磁場を印加する磁場印加部と、前記複数の磁気トンネル接合素子の少なくとも一部を選択し、選択した磁気トンネル接合素子の電極に前記第２電圧を印加し、かつ選択した磁気トンネル接合素子以外の磁気トンネル接合素子の電極に前記第１電圧を印加する電圧印加部と、を具備することを特徴とする磁気メモリである。

上記構成において、前記電圧印加部が選択した磁気トンネル接合素子の電極に前記第２電圧を印加するとき、前記磁場印加部は、前記複数の磁気トンネル素子の自由層に同じ方向の磁場を印加する構成とすることができる。

本発明によれば、意図しない磁化反転を抑制し、かつ消費電力を抑制することができる。

図１は、実施例１に係る磁気トンネル接合素子の断面図である。 図２は、実施例２に係る磁気メモリを示す図である。 図３（ａ）および図３（ｂ）は、実施例２に係る磁気メモリの動作を説明する図（その１）である。 図４（ａ）および図４（ｂ）は、実施例２に係る磁気メモリの動作を説明する図（その２）である。 図５（ａ）および図５（ｂ）は、それぞれ比較例および実施例２に係る磁気メモリの斜視図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施例について説明する。

図１は、実施例１に係る磁気トンネル接合素子の断面図である。図１を参照し、磁気トンネル接合素子５０は、基板１０上にバッファ層１２、固定層１４、トンネル絶縁膜１６、自由層１８、絶縁膜２０および電極２２が順に設けられている。電源２４は、基板１０を介して固定層１４と自由層１８との間に電圧を印加する。なお、固定層１４は電源２４から電圧を供給する配線に直接接続されていてもよい。電流計２６は、固定層１４と自由層１８との間の電流を測定する。電源２８は、自由層１８と電極２２との間に電圧を印加する。

固定層１４および自由層１８は、強磁性体を有する。強磁性体としては、Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）またはＦｅＣｏ合金等を用いることができる。強磁性体としてその他の強磁性金属または強磁性ハーフメタルを用いることができる。トンネル絶縁膜１６は固定層１４と自由層１８との間に設けられ、ＭｇＯまたは酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）等の絶縁膜を用いることができる。固定層１４の膜厚は例えば数原子層から１００ｎｍである。トンネル絶縁膜１６の膜厚は膜厚方向にキャリアがトンネルできる程度であり、例えば２ｎｍ以下である。自由層１８の膜厚は例えば１ｎｍから１０ｎｍである。固定層１４の保磁力は自由層１８より大きい。固定層１４の保磁力を大きくするため、固定層１４は、強磁性体と磁気結合した反強磁性体を有してもよい。

絶縁膜２０として、例えばＳｉＯ_２（酸化シリコン）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）またはＨｆＯ_２（酸化ハフニウム）を用いる。また、絶縁膜２０として、電気二重層ポリマーを用いることもできる。絶縁膜２０の膜厚は、例えば１００ｎｍから３００ｎｍである。電極２２は、自由層１８に絶縁膜２０を介し設けられている。電極２２としては、例えばＡｕ(金)、Ｃｕ（銅）またはＡｌ（アルミニウム）等の金属を用いることができる。電極２２の膜厚は、例えば、１００ｎｍから３００ｎｍである。

一例としては、固定層１４、トンネル絶縁膜１６および自由層１８として、それぞれＣｏ、ＭｇＯおよびＣｏを用いる。固定層１４、トンネル絶縁膜１６および自由層１８をスパタッタリング法を用い形成する。ポリマー（例えばPoly((styrene-b-ethylene oxide-b-styrene))）とイオン液体（例えば（1-Ethyl-3-methylimidazolium Bis(trifluoromethanesulfony1)imide））とをアセトン等の有機溶媒に溶解させる。溶解液を自由層１８上に滴下する。その後スピンコートする。ホットプレートを用い有機溶媒を揮発させる。これにより、自由層１８上に絶縁膜２０として電気二重層含有ポリマーが形成される。絶縁膜２０上に金箔を積層することにより電極２２を形成する。このようにして実施例１に係る磁気トンネル接合素子を作製できる。

基板１０としては、Ｓｉ（シリコン）、ＧａＡｓ（砒化ガリウム）等の半導体基板を用いることができる。バッファ層１２としては、基板１０と同じ材料でもよいし異なっていてもよい。バッファ層１２および基板１０を介して電源２４と固定層１４が電気的に接続される場合、基板１０およびバッファ層１２としてｎ型またはｐ型半導体を用いることができる。固定層１４が強磁性金属の場合、基板１０およびバッファ層１２は、ｎ型が好ましい。これにより、強磁性金属とバッファ層１２との接触抵抗を低くできる。

基板１０として、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）等の絶縁基板を用いることができる。この場合、固定層１４は配線に直接接続されている。また、半導体基板上に絶縁膜（例えば半導体基板と配線とを電気的に分離する絶縁膜）を介し固定層１４を形成することもできる。この場合、トランジスタと磁気トンネル接合素子とを集積化することができる。例えば、半導体基板にトランジスタを形成し、半導体基板上に絶縁膜を形成する。磁気トンネル接合素子は、絶縁膜上または中に形成される。トランジスタと磁気トンネル接合素子とは、例えば絶縁体膜内に形成された配線（集積回路内の配線）を用い接続することもできる。

自由層１８と固定層１４との磁化方向がほぼ同じ場合、磁気トンネル接合素子５０の抵抗値が低くなり、磁気トンネル接合素子５０を流れる電流が大きくなる。これを低抵抗状態という。自由層１８と固定層１４との磁化方向が異なる場合、例えば磁化方向が反転している場合、磁気トンネル接合素子５０の抵抗値が高くなり、電流が小さくなる。これを高抵抗抗状態という。このように、自由層１８の磁化方向により、磁気トンネル接合素子５０の抵抗値が変わる。磁気トンネル接合素子５０は、自由層１８の磁化方向により、抵抗状態が変化し、データを不揮発的に記憶することができる。データを記憶するときは、自由層１８に外部磁場を印加することにより、磁化方向を変更する。

非特許文献２と同様に、電極２２に電圧を印加することにより、自由層１８の保磁力を変化させることができる。自由層１８の磁化方向を変更しないときは、自由層１８の保磁力が大きくなるように、電極２２に第１電圧を印加する。自由層１８の磁化方向を変更するときは、自由層１８の保磁力が小さくなるように、電極２２に第２電圧を印加する。例えば、電極２２に第１電圧が印加されるときの自由層１８の保磁力は、自由層１８の磁化方向を変更するときに自由層１８に印加される磁場より大きい。電極２２に第２電圧が印加されるときの自由層１８の保磁力は、自由層１８の磁化方向を変更するときに自由層１８に印加される磁場より小さい。これにより、自由層１８の磁化方向を変更しないときは、隣接する磁気トンネル接合素子に印加された磁場により自由層１８が意図せず反転することを抑制できる。自由層１８の磁化方向を変更するときは、少ない消費電力で磁化方向を変化することができる。

自由層１８と電極２２との間にはキャパシタが形成されるため、リーク電流が小さければ、電極２２に印加された電圧は維持される。絶縁膜２０として、電気二重層ポリマーを用いることにより、電極２２に印加される電圧により自由層１８の保磁力をより大きく制御することができる。

実施例２は、実施例１に係る磁気トンネル接合素子を用いた磁気メモリの例である。図２は、実施例２に係る磁気メモリを示す図である。図２を参照し、磁気メモリ１００は、複数の磁気トンネル接合素子５０、磁場印加部３０および電圧印加部４０を備えている。各磁気トンネル接合素子５０の固定層１４、自由層１８および電極２２は、それぞれ配線４２を介し電圧印加部４０に電気的に接続されている。磁場印加部３０および電圧印加部４０は、例えば同じ基板１０に集積化されている。この場合、配線４２は、集積回路内の配線（半導体基板上の絶縁膜内または上に形成された配線）である。

電圧印加部４０は、複数の磁気トンネル接合素子５０の自由層１８と固定層１４との間、自由層１８と電極２２との間に電圧を印加することができる。電圧印加部４０には、例えば図１の電源２４、２８および電流計２６が含まれる。磁場印加部３０は、複数の磁気トンネル接合素子５０の自由層１８に磁場３２を印加することができる。磁場印加部３０としては、例えば電磁石、コイル、配線または永久磁石を用いることができる。磁場印加部３０として電磁石、コイルまたは配線を用いた場合、コイルまたは配線に流れる電流の向きにより磁場３２の向きを変更することができる。磁場印加部３０として永久磁石を用いた場合、磁場３２の向きは一定である。

図３（ａ）から図４（ｂ）は、実施例２に係る磁気メモリの動作を説明する図である。複数の磁気トンネル接合素子５０のうち２つの磁気トンネル接合素子５０ａおよび５０ｂを例に説明する。なお、磁場印加部３０として電磁石を図示しているが、電磁石に限られない。図３（ａ）を参照し、固定層１４の磁化方向３４および自由層１８の磁化方向３８はいずれも上向きである。よって、磁気トンネル接合素子５０ａおよび５０ｂはいずれも低抵抗状態である。電磁石である磁場印加部３０は自由層１８に磁場３２を印加する。磁場３２の大きさは、電極２２に第１電圧（例えば０Ｖ）を印加したときの自由層１８の保磁力より小さく、電極２２に第２電圧を印加したときの自由層１８の保磁力より大きくする。磁気トンネル接合素子５０ａおよび５０ｂのいずれの電極２２にも第１電圧（例えば０Ｖ）が印加されているため、自由層１８の保磁力は大きい。よって、自由層１８に磁場３２が印加されても、自由層１８の磁化方向３８は変化しない。また、固定層１４の保磁力は磁場３２に比べ十分大きい。よって、固定層１４の磁化方向３４は変化しない。

図３（ｂ）を参照し、磁場印加部３０が下向きに磁場３２を印加する。電圧印加部４０は、磁気トンネル接合素子５０ａの電極２２に自由層１８に対し第２電圧（例えば負電圧）を印加し、磁気トンネル接合素子５０ｂの電極２２には第１電圧（例えば０Ｖ）を印加する。これにより、磁気トンネル接合素子５０ａの自由層１８の保磁力は小さくなり、磁気トンネル接合素子５０ｂの自由層１８の保磁力は大きい。よって、磁気トンネル接合素子５０ａの自由層１８の磁化方向３８は下方向に変更され、磁気トンネル接合素子５０ｂの自由層１８の磁化方向３８は上向きを維持する。磁気トンネル接合素子５０ａは高抵抗状態となり、磁気トンネル接合素子５０ｂは低抵抗状態を維持する。

図４（ａ）を参照し、電圧印加部４０は、磁気トンネル接合素子５０ａおよび５０ｂの電極２２に第１電圧を印加する。これにより、自由層１８の保磁力が大きくなる。よって、磁場印加部３０が上向きに磁場３２を印加しても、磁気トンネル接合素子５０ａの自由層１８の磁化方向３８は下向きを維持する。すなわち、磁気トンネル接合素子５０ａは高抵抗状態を維持し、磁気トンネル接合素子５０ｂは低抵抗状態を維持する。

図４（ｂ）を参照し、磁場印加部３０が上向きに磁場３２を印加した状態で、電圧印加部４０が磁気トンネル接合素子５０ａの電極２２には第２電圧を印加する。これにより、磁気トンネル接合素子５０ａの自由層１８の保磁力が小さくなる。よって、磁気トンネル接合素子５０ａの自由層１８の磁化方向３８が上向きとなる。これにより、磁気トンネル接合素子５０ａおよび５０ｂはともに低抵抗状態となる。なお、磁化方向３４および３８として垂直磁化の場合を説明したが、水平磁化でもよい。

実施例２においては、図３（ｂ）のように、磁場印加部３０は、複数の磁気トンネル接合素子５０の自由層１８に磁場３２（例えば下向きの磁場）を印加する。電圧印加部４０は、複数の磁気トンネル接合素子５０の少なくとも一部を選択し、選択した磁気トンネル接合素子５０ａの電極２２に第２電圧を印加する。電圧印加部４０は、選択した磁気トンネル接合素子５０ａ以外の磁気トンネル接合素子５０ｂの電極２２に第１電圧を印加する。これにより、複数の磁気トンネル接合素子５０のうち一部の自由層１８の磁化方向３８を変更できる。

電圧印加部４０が選択した磁気トンネル接合素子５０ａに第２電圧を印加するとき、磁場印加部３０は、複数の磁気トンネル接合素子５０ａおよび５０ｂの自由層１８に同じ方向の磁場を印加する。これにより、複数の磁気トンネル接合素子５０に一度にデータを書き込むことができる。また、実施例１と同様に、隣接する磁気トンネル接合素子５０の影響により磁化方向が反転することを抑制できるため、磁気トンネル接合素子の実装密度を向上できる。さらに、自由層１８の保磁力を低減させて磁化反転を行なうため、消費電力を抑制できる。

図５（ａ）および図５（ｂ）は、それぞれ比較例および実施例２に係る磁気メモリの斜視図である。図５（ａ）を参照し、比較例に係る磁気メモリ１０２の磁気トンネル接合素子５０ａは、絶縁膜２０および電極２２を有していない。自由層１８に磁場を印加するため、グリッド状の配線６０および６２が設けられる。配線６０および６２のいずれか一方に電流が流れても自由層１８の磁化方向は変化しないが、配線６０および６２の両方に電流が流れると自由層１８の磁化方向が変化する。これにより、配線６０および６２を選択することにより、任意の磁気トンネル接合素子５０の自由層１８の磁化方向を変化させることができる。しかしながら、配線６０および６２を設けるため実装面積が大きくなる。

図５（ｂ）を参照し、実施例２に係る磁気メモリ１００は、配線６０および６２が不要となり、複数の磁気トンネル接合素子５０の全てに磁場３２を印加する磁場印加部３０を設ければよい。よって、実装面積を小さくできる。なお、磁気メモリ１００は複数の領域に分割されており、領域ごとに磁場印加部３０を設けてもよい。磁場印加部３０が、磁気トンネル接合素子５０ごとに設けられてもよい。

以上、発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 基板
１２ バッファ層
１４ 固定層
１６ トンネル絶縁膜
１８ 自由層
２０ 絶縁膜
２２ 電極
３０ 磁場印加部
３２ 磁場
３４、３８ 磁化方向
４０ 電圧印加部

Claims (6)

1. 強磁性体を有する固定層と、
   強磁性体を有する自由層と、
   前記固定層と前記自由層との間に設けられたトンネル絶縁膜と、
   前記自由層に対し絶縁膜を介し設けられた電極と、
   を具備することを特徴とする磁気トンネル接合素子。
2. 前記電極に第１電圧が印加されるときの前記自由層の保磁力は、前記電極に第２電圧が印加されるときの前記自由層の保磁力より大きく、
   前記自由層の磁化方向を変更しないときに、前記電極に前記第１電圧が印加され、
   前記自由層の磁化方向を変更するときに、前記電極に前記第２電圧が印加されることを特徴とする請求項１記載の磁気トンネル接合素子。
3. 請求項２記載の磁気トンネル接合素子と、
   前記自由層に磁場を印加する磁場印加部と、
   を具備することを特徴とする磁気メモリ。
4. 前記電極に前記第１電圧が印加されるときの自由層の保磁力は、前記自由層の磁化方向を変更するときに前記自由層に印加される磁場より大きく、
   前記電極に前記第２電圧が印加されるときの自由層の保磁力は、前記自由層の磁化方向を変更するときに前記自由層に印加される磁場より小さいことを特徴とする請求項３記載の磁気メモリ。
5. 請求項２記載の複数の磁気トンネル接合素子と、
   前記複数の磁気トンネル接合素子の前記自由層に磁場を印加する磁場印加部と、
   前記複数の磁気トンネル接合素子の少なくとも一部を選択し、選択した磁気トンネル接合素子の電極に前記第２電圧を印加し、かつ選択した磁気トンネル接合素子以外の磁気トンネル接合素子の電極に前記第１電圧を印加する電圧印加部と、
   を具備することを特徴とする磁気メモリ。
6. 前記電圧印加部が選択した磁気トンネル接合素子の電極に前記第２電圧を印加するとき、前記磁場印加部は、前記複数の磁気トンネル素子の自由層に同じ方向の磁場を印加することを特徴とする請求項５記載の磁気メモリ。

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