JP2015185581A - 不揮発性記憶装置 - Google Patents
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Abstract
Description
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の実施形態に係る不揮発性記憶装置を示す模式的断面図である。
図1に表したように、本実施形態に係る不揮発性記憶装置610は、磁気記憶素子110と、制御部550と、を含む。
磁気記憶素子110は、積層体SB1を含む。制御部550は、磁気記憶素子110と電気的に接続される。制御部550は、磁気記憶素子110に対して電圧の印加及び電流の供給を行うことにより、磁気記憶素子110の動作を制御する。
Δ=Ku・V/KB・T
上記の式において、Kuは有効磁気異方性定数であり、Vは第2強磁性層20の体積であり、KBはボルツマン定数であり、Tは磁気記憶素子110の絶対温度である。
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。
図2(a)及び図2(b)に表したように、積層方向SD1に対して垂直な1つの方向を面内方向SD2とする。面内方向SD2は、X−Y平面内の方向である。磁化72の面内磁化成分72bは、磁化72をX−Y平面に投影した成分である。面内磁化成分72bは、面内方向SD2に対して平行である。磁化72の垂直磁化成分72aは、磁化72をZ軸方向に投影した成分である。垂直磁化成分72aは、積層方向SD1に対して平行である。
既に説明したように、第1強磁性層10の磁化10mの方向は、実質的に固定される。
これらの図は、磁気記憶素子110における「書き込み」動作の際の積層体SB1の状態を例示している。書き込み動作においては、第1強磁性層10の膜面及び第2強磁性層20の膜面を横切るように電子電流60(書込電流Iw)を流すことにより、第2強磁性層20に対して書き込み動作が実施される。ここでは、第1非磁性層10nを介した磁気抵抗効果が、ノーマルタイプである場合について説明する。
図3(a)は、電子電流60を流し始めた状態を例示している。図3(c)は、電子電流60を流し終えた状態(磁化21m及び磁化22mが反転した状態)を例示している。図3(b)は、その途中の状態を例示している。
図3(d)は、電子電流60を流し始めた状態を例示している。図3(f)は、電子電流60を流し終えた状態(磁化21m及び磁化22mが反転した状態)を例示している。図3(e)は、その途中の状態を例示している。
磁気記憶素子110における第2強磁性層20の磁化21m及び磁化22m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、書き込み時(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」動作の際の積層体SB1の状態を例示している。
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。
センス電流61の供給は、例えば、制御部550によって行われる。
前述のように、Δ値は、素子サイズに影響する。このため、素子サイズを小さくした場合には、有効磁気異方性定数Kuの大きい材料を記憶層に用いる必要がある。
図5は、磁気記憶素子110a及び磁気記憶素子110bの特性を例示している。
図5の縦軸は、第2強磁性層20のΔ値である。図5の横軸は、第2強磁性層20の有効磁気異方性定数Kuである。
例えば、第1部分21の磁化をMs1(emu/cm3)とし、第1部分21の磁気異方性定数をKu1(erg/cm3)とし、第1部分21の厚さをd1(cm)とする。第2部分22の磁化をMs2(emu/cm3)とし、第2部分22の磁気異方性定数をKu2(erg/cm3)とし、第2部分22の厚さをd2(cm)とし、第2部分22の反磁界係数をNz2とする。第1部分21の磁化21mと第2部分22の磁化22mとの交換結合定数をJex(erg/cm2)とする。ジャイロ磁気定数をγ(1/(Oe・s))とする。このとき、第1部分21と第2部分22とを積層したときの磁気共鳴周波数(第2強磁性層20全体の磁気共鳴周波数)は、次式で与えられる。
図6(a)〜図6(c)は、第1の実施形態に係る磁気記憶部のシミュレーションの条件を例示する模式図である。
図6(a)は、シミュレーションに用いた磁気記憶部を表す模式的断面図である。図6(b)は、第1部分21に関するシミュレーション条件を示す表である。図6(c)は、第2部分22に関するシミュレーション条件を示す表である。
シミュレーションでは、Micromagnetics-LLGにより、トリガ層を設けることで、記憶層の磁気共鳴周波数より低い周波数の磁界で磁化反転がアシストされることを確認する。
図7(a)は、磁気記憶部MMUにおいて、第1部分21及び第2部分22を垂直方向に磁化させた場合を示している。図7(b)は、磁気記憶部MMUにおいて、第1部分21及び第2部分22を面内方向に磁化させた場合を示している。図7(c)は、シミュレーション結果を示すグラフ図である。図7(c)の横軸は、時間(ナノ秒)であり、縦軸は、エネルギー(J)である。
図7(a)及び図7(b)に表したように、記憶層とトリガ層の初期磁化をそれぞれ面内方向に傾けた場合と、それぞれ垂直方向に傾けた場合について、10ns間の磁化緩和過程を計算した。この系では、垂直磁化が安定である。一方、面内磁化は、ある一定時間を経てエネルギーバリアを超えて垂直磁化へ緩和する。
図8は、Δ値の計算結果を表す。図8において、C1及びC2は、第1部分21のみを第2強磁性層20に設けた場合の計算結果である。一方、C3〜C5は、第1部分21と第2部分22とを第2強磁性層20に設けた場合の計算結果である。また、C1は、第1部分21の材料パラメータから解析的に求められる計算結果である。C2は、第1部分21のみを第2強磁性層20に設けた場合の、エネルギーバリアから求めた計算結果である。C3は、第1部分21と第2部分22との結合磁界の大きさを5kOeとしたときの計算結果である。C4は、第1部分21と第2部分22との結合磁界の大きさを6kOeとしたときの計算結果である。C5は、第1部分21と第2部分22との結合磁界の大きさを7kOeとしたときの計算結果である。
図9は、磁気記憶部MMUにZ軸方向の外部磁界を印加した時の磁気記憶部MMUの抵抗値の変化の一例を表す。図9の横軸は、磁気記憶部MMUに印加する外部磁界Hextであり、縦軸は、磁気記憶部MMUの抵抗値Rである。
図10は、第2強磁性層20にトリガ層がある場合とない場合における、外部磁界に対する書き込み電流の変化を表した図である。図10の横軸は、外部磁界の周波数であり、縦軸は、磁化反転に必要であった電流密度である。
第2強磁性層20の磁気共鳴周波数(第3磁気共鳴周波数)は、例えば、積層体SB1の上下電極(例えば、第1導電層81及び第2導電層82)にプローブをあて、ダンピング測定法を利用して測定することができる。ダンピング測定法としては、例えば、H. Kubota et. al., Nature physics 4 (08) 37,または、J. Sankey et. al., Nature physics 4 (08) 67などに記載された方法を利用することができる。
図10に表したように、トリガ層を設けていない参考例では、第2強磁性層20の磁気共鳴周波数が、50GHz付近である。一方、磁気記憶素子110では、第2強磁性層20の磁気共鳴周波数が、20GHz未満である。このように、第2強磁性層20にトリガ層が設けられているか否かは、例えば、ダンピング測定法を利用して第2強磁性層20の磁気共鳴周波数を測定することにより、判別することができる。
第1部分21の有効異方性磁界Hk1及び第2部分22の有効異方性磁界Hk2は、例えば、積層体SB1の上下電極にプローブをあて、容易軸方向と困難軸方向とにそれぞれ磁界を印加したときの磁気記憶部の抵抗を測定することで、求めることができる。この例において、容易軸方向は、積層方向SD1であり、困難軸方向は、面内方向SD2である。
図12は、第1部分21の磁気共鳴周波数f1及び第2部分22の磁気共鳴周波数f2の測定結果の一例を表す。図12の横軸は、測定装置の測定周波数であり、縦軸は、測定装置の信号強度SIである。
第1部分21の磁気共鳴周波数f1及び第2部分22の磁気共鳴周波数f2は、例えば、強磁性共鳴(FMR:Ferromagnetic Resonance)測定装置などで測定することができる。FMR測定では、例えば、積層体SB1の上下電極にプローブをあて、スペクトルを測定する。第2強磁性層20に第1部分21と第2部分22とが設けられている場合には、第1部分21の磁気共鳴周波数f1及び第2部分22の磁気共鳴周波数f2のそれぞれに対応した2本以上のスペクトルが観察される。これにより、観察されたスペクトルの1つを第1部分21の磁気共鳴周波数f1、別の1つを第2部分22の磁気共鳴周波数f2として測定することができる。
図13(a)〜図13(c)の横軸は、時間Timeを表し、図13(a)〜図13(c)の縦軸は、電流の大きさIaを表している。
図13(a)〜図13(c)は、不揮発性記憶装置610の制御部550によって、積層体SB1に流される書込電流Iwを例示している。
第1値Ia1は、例えば、書込期間Twにおいて、積層体SB1に流れる電流の最大値Iamに対応する。第1値Ia1は、例えば、実質的に最大値Iamと等しい。ただし、第1値Ia1は、例えば、最大値Iamの0.9倍以上1.0倍以下の範囲を有してもよい。換言すると、第1期間T1は、最大値Iamの0.9倍以上1.0倍以下の電流が積層体SB1に流れる期間と考えてもよい。
図14(a)〜図14(c)の横軸は、時間Timeの一部を拡大して表し、図14(a)〜図14(c)の縦軸は、書込電流Iwの大きさを表している。
図14(a)〜図14(c)に表した例では、図13(b)に表した例と同様に、第1期間T1の前において、第1値Ia1よりも小さい電流が流れる。
図14(b)に表した例では、書込電流Iwがゼロから第2値Ia2まで上昇する時間は、第2値Ia2から第1値Ia1まで上昇する時間よりも長い。
図14(c)に表した例では、書込電流Iwがゼロから第2値Ia2まで上昇する時間は、第2値Ia2から第1値Ia1まで上昇する時間と同等、または異なっていてもよい。
図15(a)〜図15(c)の横軸は、時間Timeを表し、図15(a)〜図15(c)の縦軸は、電流の大きさIaを表している。
図17の横軸は、シミュレーションにおけるパラメータ(有効磁気異方性定数Ku)を表す。図16の縦軸は、図16に表した結果において、磁化状態Mzが85%となる時間Timeを表す。図16の縦軸は、第2強磁性層20の磁化の反転時間に対応する。
例えば、第1部分21及び第2部分22は、第2ホイスラー合金を含んでもよい。第2ホイスラー合金は、Co2HfSn、Co2ZrSn、Co2HfAl、Co2ZrAl、Co2HfGa、Co2TiSi、Co2TiGe、Co2TiSn、Co2TiGa、Co2TiAl、Co2VGa、Co2VAl、Co2TaAl、Co2NbGa、Co2NbAl、Co2VSn、Co2NbSn、Co2CrAl、Rh2NiSn、Rh2NiGe、Mn2WSn、Fe2MnSi、及びFe2MnAlの少なくともいずれか1つを含む。
以上により、磁気記憶素子110が完成する。
図18に表したように、磁気記憶素子131は磁気シールド51をさらに含む。積層体SB1は、積層方向SD1に延びる側面SS1(第1側面)を有する。ここで、「積層方向SD1に延びる」には、積層方向SD1に対して非平行な状態も含むものとする。「積層方向SD1に延びる」は、少なくとも積層方向SD1に延びる成分を有していればよい。すなわち、「積層方向SD1に延びる面」とは、積層方向SD1に対して直交する面でなければよい。
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。下部電極上に、Ta/Ru(下部電極とのコンタクト層、兼ストッパー層)、FePt/CoFeB層(第1強磁性層10)、MgO(第1非磁性層10n)、CoFeB層(トリガ層)及びCoFeB/FePd層(記憶層)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、CoFeB層とCoFeB/FePd層と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。続いて、Ru/Ta層(上部コンタクト層)を積層する。これにより、加工体が形成される。
以上により、磁気記憶素子131が完成する。
図19(a)は、磁気記憶素子142の模式的平面図であり、図19(b)は、磁気記憶素子142の模式的断面図である。図19(b)は、図19(a)のA1−A2線断面を模式的に表す。
図19(a)及び図19(b)に表したように、磁気記憶素子142では、第2強磁性層20及び第1非磁性層10nが、それぞれ複数設けられている。複数の第2強磁性層20は、積層方向SD1に対して垂直な方向に並ぶ。この例では、複数の第2強磁性層20が、Y軸方向に並ぶ。複数の第1非磁性層10nのそれぞれは、第1強磁性層10と複数の第2強磁性層20とのそれぞれの間に設けられる。磁気記憶素子142では、第1強磁性層10の上に複数の第1非磁性層10nが並べて設けられる。
図20(a)に表したように、磁気記憶素子143では、第1強磁性層10の上に積層部分SPが設けられている。積層部分SPは、この例では、複数の第2強磁性層20のうちの1つと、この1つの第2強磁性層20と積層された1つの第1非磁性層10nと、を含む。磁気記憶素子143においては、積層部分SPの幅(積層方向SD1に対して垂直な方向の長さ)が、第1強磁性層10から第2強磁性層20へ向かう方向において減少する。例えば、積層部分SPの幅が連続的に減少する。
図21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21に表したように、本実施形態に係る不揮発性記憶装置620は、メモリセルアレイMCAを含む。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。各メモリセルMCは、第1の実施形態に係る磁気記憶素子のいずれかを、MTJ素子(積層体SB1)として有する。
図22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。
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
Claims (12)
- 磁化の方向が固定された第1強磁性層と、
前記第1強磁性層と積層された第2強磁性層であって、
磁化の方向が可変である第1部分と、
前記第1強磁性層と前記第2強磁性層との積層方向に前記第1部分と積層され磁化の方向が可変である第2部分と、
を含み、前記第1部分の磁気共鳴周波数は前記第2部分の磁気共鳴周波数とは異なり、
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、
を含む積層体と、
前記積層体と電気的に接続され、書込期間において前記積層体に電流を流す制御部と、
を備え、
前記第1部分の前記磁化の方向及び前記第2部分の前記磁化の方向は、前記電流の向きに応じた方向に向き、
前記書込期間は、第1期間と、前記第1期間とは異なる第2期間と、を含み、
前記電流は、前記第1期間において第1値であり、前記第2期間において前記第1値よりも小さい第2値であり、
前記第1期間の長さは、前記第2強磁性層全体の磁気共鳴周波数の逆数の奇数倍の絶対値の0.9倍以上1.1倍以下である不揮発性記憶装置。 - 前記書込期間は、前記第1期間と前記第2期間との間の第3期間と、前記第1期間と前記第3期間との間の第4期間と、を含み、
前記電流は、前記第3期間において前記第1値であり、前記第4期間において前記第2値である請求項1記載の不揮発性記憶装置。 - 前記第1部分の前記磁気共鳴周波数は、第1磁気共鳴周波数であり、
前記第2部分の前記磁気共鳴周波数は、前記第1磁気共鳴周波数よりも低い第2磁気共鳴周波数である請求項1または2に記載の不揮発性記憶装置。 - 前記第1部分及び前記第2部分の少なくともいずれかは、Co、Mn、Fe、Ni、Cu、Rh、Ru及びPdの少なくともいずれか1つを含むホイスラー合金を含む請求項3記載の不揮発性記憶装置。
- 前記第1部分及び前記第2部分の少なくともいずれかは、Co2FeSi、Co2FeAl、Co2FeGa、Co2MnGe、Co2MnSn、Co2MnSi、Co2MnGa、Co2MnAl、Co2MnSb、Co2CrGa、Ni2MnIn、Ni2MnGa、Ni2MnSn、Ni2MnSb、Ni2FeGa、Pd2MnSb、Pd2MnSn、Cu2MnAl、Cu2MnSn、Cu2MnIn、Rh2MnGe、Rh2MnPb、Rh2MnSn、Pd2MnGe、Rh2FeSn、Ru2FeSn、及びRh2FeSbの少なくともいずれか1つを含む請求項3または4に記載の不揮発性記憶装置。
- 前記第1部分及び前記第2部分の少なくともいずれかは、Co2HfSn、Co2ZrSn、Co2HfAl、Co2ZrAl、Co2HfGa、Co2TiSi、Co2TiGe、Co2TiSn、Co2TiGa、Co2TiAl、Co2VGa、Co2VAl、Co2TaAl、Co2NbGa、Co2NbAl、Co2VSn、Co2NbSn、Co2CrAl、Rh2NiSn、Rh2NiGe、Mn2WSn、Fe2MnSi、及びFe2MnAlの少なくともいずれか1つを含む請求項3〜5のいずれか1つに記載の不揮発性記憶装置。
- 前記第1部分は、Co2HfSn、Co2ZrSn、Co2HfAl、Co2ZrAl、Co2HfGa、Co2TiSi、Co2TiGe、Co2TiSn、Co2TiGa、Co2TiAl、Co2VGa、Co2VAl、Co2TaAl、Co2NbGa、Co2NbAl、Co2VSn、Co2NbSn、Co2CrAl、Rh2NiSn、Rh2NiGe、Mn2WSn、Fe2MnSi、及びFe2MnAlの少なくともいずれか1つを含み、
前記第2部分は、Co2FeSi、Co2FeAl、Co2FeGa、Co2MnGe、Co2MnSn、Co2MnSi、Co2MnGa、Co2MnAl、Co2MnSb、Co2CrGa、Ni2MnIn、Ni2MnGa、Ni2MnSn、Ni2MnSb、Ni2FeGa、Pd2MnSb、Pd2MnSn、Cu2MnAl、Cu2MnSn、Cu2MnIn、Rh2MnGe、Rh2MnPb、Rh2MnSn、Pd2MnGe、Rh2FeSn、Ru2FeSn、及びRh2FeSbの少なくともいずれか1つを含む請求項3〜6のいずれか1つに記載の不揮発性記憶装置。 - 前記第1強磁性層の前記磁化の前記積層方向に対して平行な垂直磁化成分は、前記第1強磁性層の前記磁化の前記積層方向に対して垂直な面内磁化成分よりも大きく、
前記第1部分の前記磁化の前記垂直磁化成分は、前記第1部分の前記磁化の前記面内磁化成分よりも大きく、
前記第2部分の前記磁化の前記垂直磁化成分は、前記第2部分の前記磁化の前記面内磁化成分よりも大きい請求項1〜7のいずれか1つに記載の不揮発性記憶装置。 - 前記第2強磁性層、前記第1非磁性層は、それぞれ複数設けられ、
前記複数の第2強磁性層は、前記積層方向に対して垂直な面内方向に並び、
前記複数の第1非磁性層のそれぞれは、前記第1強磁性層と前記複数の第2強磁性層とのそれぞれの間に配置された請求項1〜8のいずれか1つに記載の不揮発性記憶装置。 - 前記第2強磁性層は、複数設けられ、
前記複数の第2強磁性層は、前記積層方向に対して垂直な面内方向に並び、
前記第1非磁性層は、前記第1強磁性層と前記複数の第2強磁性層との間に配置された請求項1〜8のいずれか1つに記載の不揮発性記憶装置。 - 前記第1強磁性層と電気的に接続された第1配線と、
前記第2強磁性層と電気的に接続された第2配線と、
をさらに備え、
前記制御部は、前記第1配線及び前記第2配線を介して前記積層体と接続された請求項1〜10のいずれか1つに記載の不揮発性記憶装置。 - 前記第1強磁性層と前記第1配線との間及び前記第2強磁性層と前記第2配線との間の少なくとも一方に設けられた選択トランジスタをさらに備えた請求項11記載の不揮発性記憶装置。
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