JP2017059594A - 磁気メモリ - Google Patents
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Abstract
Description
第1実施形態による磁気メモリについて図1を参照して説明する。この第1実施形態の磁気メモリは、少なくとも1つのメモリ素子を有し、このメモリ素子の断面を図1に示す。このメモリ素子1は、スピン軌道相互作用(以下、SO(Spin-Orbit Coupling)とも云う)を用いたメモリ素子である。この第1実施形態に係るメモリ素子1は、非磁性層10と、この非磁性層10の一部の領域上に設けられた磁気抵抗素子20とを備えている。非磁性層10は、第1非磁性層12と、この第1非磁性層12上に設けられた第2非磁性層14と、を備えている。すなわち、非磁性層10は、非磁性材料が積層された非磁性積層膜となっている。
σ1<σ2
となる関係を満たしている。
次に、第1実施形態および後述する各実施形態のメモリ素子の構成部材に関する材料について説明する。
第2非磁性層14は高いスピンホール効果を有した材料を用いることが好ましく、例えば、β−Ta(タンタル)、β−W(タングステン)のような負の大きなスピンホール角持つものから、Pt(プラチナ)、Au(金)のような正の大きなスピンホール角を持つものなどを用いることができるが、これらに限定されない。
第1非磁性層12は、スピンシンク層として、Ru(ルテニウム)、Rh(ロジウム)、Ta(タンタル)、W(タングステン)、Cr(クロム)、Ir(イリジウム)、Mo(モリブデン)、Re(レニウム)、Nb(ニオブ)、Pt(白金)、Pd(パラジウム)、Hf(ハフニウム)、Al(アルミニウム)、Mg(マグネシウム)の中から選択された1つ以上の元素を含むことが好ましい。
第1磁性層22は、強磁性材料、軟磁性材料、人工格子、またはフェリ磁性材料などが用いられる。強磁性材料として、L10構造又はL11構造の磁性材料が用いられる。より具体的な例としては、FePd(鉄−パラジウム)、FePt(鉄−白金)、CoPd(コバルト−パラジウム)、またはCoPt(コバルト−白金)等が用いられる。軟磁性材料としては、CoFeB(コバルト−鉄−ボロン)等が用いられる。人工格子として、NiFe(ニッケル−鉄)、Fe(鉄)、又はCo(コバルト)等の磁性材料と、Cu(銅)、Pd(パラジウム)、又はPt(白金)等の非磁性材料との積層構造が例示される。
スペーサ層24としては、例えば、MgO(酸化マグネシウム)が用いられ。MgOのような絶縁材料が用いられたスペーサ層24は、トンネルバリア層ともよばれる。MgO層24は、例えば、10Å(1nm)の厚さを有する。また、スペーサ層24として、CaO(酸化カルシウム)、SrO(酸化ストロンチウム)、TiO(酸化チタン)、VO(酸化バナジウム)、NbO(酸化ニオブ)、またはAl2O3(酸化アルミニウム)を用いてもよい。
一般に熱安定性のため、第2磁性層26は、第1磁性層22の厚さよりも大きな厚さを有する。そのため、第2磁性層26から発生する磁場分布が大きくなり、第2磁性層26からの漏れ磁場(漏洩磁界)が、第1磁性層22に不均一に印加される。第1磁性層22に印加される第2磁性層からの漏れ磁場は、第1磁性層22の磁化の向きを第2磁性層26の磁化の向きと平行にする向きに作用する。第1磁性層22に印加される第2磁性層26からの漏れ磁場は、第1磁性層22の磁化反転磁場を変化させ、第1磁性層22の熱安定性を劣化させる。第2磁性層からの漏れ磁場の影響で、第1磁性層22の保磁力HCがシフトし、第2磁性層26と第1磁性層22との磁化の向きの関係が平行状態である場合と反平行状態である場合とで、それら磁化配列状態の熱安定性が変化する可能性がある。このように、第2磁性層26の漏れ磁場に起因して磁気抵抗素子の動作が不安になる可能性があるため、第2磁性層26の飽和磁化MSは小さいことが好ましい。
第2実施形態による磁気メモリについて図4を参照して説明する。この第2実施形態の磁気メモリは、少なくとも1つのメモリ素子を有し、このメモリ素子の断面を図4に示す。この第2実施形態のメモリ素子1Aは、図1に示す第1実施形態のメモリ素子1において、非磁性層10を非磁性層10Aに置き換えた構成を有している。この非磁性層10Aは、図1に示す非磁性層10の第2非磁性層14上に、第2非磁性層14よりも電気伝導率の低い材料からなる第3非磁性層16を設けた構成を有している。
第3実施形態による磁気メモリについて図5を参照して説明する。この第3実施形態の磁気メモリは、少なくとも1つのメモリ素子を有し、このメモリ素子の断面を図5に示す。この第3実施形態のメモリ素子1Bは、図1に示す第1実施形態のメモリ素子1において、非磁性層10を非磁性層10Bに置き換えた構成を有している。
σI < σ2 < σ3
となる関係を満たす。なお、第2および第3部分は同じ材料で形成してもよいが、異なる材料で形成してもよい。異なる材料を用いた場合も、これらの材料は、上記関係式を満たす。
第4実施形態による磁気メモリについて図6を参照して説明する。この第4実施形態の磁気メモリは、少なくとも1つのメモリ素子を有し、このメモリ素子の断面を図6に示す。この第4実施形態のメモリ素子1Cは、図5に示す第3実施形態のメモリ素子1Bにおいて、非磁性層10Bを非磁性層10Cに置き換えた構成を有している。
第5実施形態による磁気メモリについて図7を参照して説明する。この第5実施形態の磁気メモリは、少なくとも1つのメモリ素子を有し、このメモリ素子の断面を図7に示す。この第5実施形態のメモリ素子1Dは、図1に示す第1実施形態のメモリ素子1において、非磁性層10を非磁性層10Dに置き換えた構成を有している。
このような構造は、後述する製造方法において説明する磁気抵抗素子20の形状を画定するためのエッチング時のオーバーエッチングによって形成される。すなわち、第5実施形態における非磁性層10Dは、第1非磁性層12と同じ材質からなる第1非磁性層12bと、この第1非磁性層12b上に設けられ、第2非磁性層14と同じ材質からなる第2非磁性層14bと、を備えている。第2非磁性層14bは第1部分と、第2部分とを有し、第1部分上に磁気抵抗素子20が位置し厚さが一定である。第2部分は磁気抵抗素子20の側面から離れるにつれて、厚さが減少する構造を有している。
第6実施形態の磁気メモリを図8に示す。この第6実施形態に磁気メモリは、第1非磁性層12およびこの第1非磁性層12上に設けられた第2非磁性層14を有する非磁性層10上に、第1実施形態で説明した複数の磁気抵抗素子20が設けられた構造を有している。
第7実施形態の磁気メモリについて図9を参照して説明する。この第7実施形態の磁気メモリは、少なくとも1つのメモリ素子を有し、このメモリ素子の断面を図9に示す。この第7実施形態のメモリ素子1Eは、図1に示す第1実施形態のメモリ素子1の積層順序を逆にした構造を有している。すなわち、メモリ素子1Eは、第2磁性層26上にスペーサ層24が設けられ、スペーサ層24上に第1磁性層22が設けられ、第1磁性層層22上に第2非磁性層14が設けられ、第2非磁性層14上に第1非磁性層12が設けられた構造を有している。
第7実施形態の第1変形例による磁気メモリについて図10を参照して説明する。この第1変形例の磁気メモリは、少なくとも1つのメモリ素子1Fを有し、このメモリ素子1Fの断面を図10に示す。
第7実施形態の第2変形例による磁気メモリについて図11を参照して説明する。この第2変形例の磁気メモリは、少なくとも1つのメモリ素子1Gを有し、このメモリ素子1Gの断面を図11に示す。
次に、第8実施形態による磁気メモリの製造方法について図12乃至図13を参照して説明する。この第8実施形態の製造方法は、図7に示す第5実施形態の磁気メモリを製造するものである。
第9実施形態による磁気メモリの回路図を図15に示す。この第9実施形態の磁気メモリは、メモリセルMCがアレイ状に配置されたメモリセルアレイ100と、同一列方向に配置されたメモリセルMCに対応して設けられた2本のワード線WL1、WL2と、同一行方向に配置されたメモリセルMCに対応して設けられた3本のビット線BL1、BL2、BL3と、ワード線選択回路110と、ビット線選択回路120a、120bと、書き込み回路130a、130bと、読み出し回路140a、140bと、を備えている。
次に、メモリセルへの書き込みについて説明する。まず、書き込みを行うメモリセルMCの選択トランジスタ34がオン状態となるように、この選択トランジスタ34のゲートが接続されているワード線WL2にワード線選択回路110がハイレベルの電位を印加する。このとき、上記メモリセルMCが属する列の他のメモリセルMCにおける選択トランジスタ34もオン状態となる。しかし、上記メモリセルMC内の選択トランジスタ32のゲートに接続されるワード線WL1および他の列に対応するワード線WL1、WL2はそれぞれ、ロウレベルの電位が印加される。
次に、メモリセルからの読み出し動作について説明する。まず、読み出しを行うメモリセルMCに接続されるワード線WL1にハイレベルの電位を印加し、上記メモリセルMC内の選択トランジスタ32をオン状態にする。このとき、上記メモリセルMCが属する列の他のメモリセルMCにおける選択トランジスタ32もオン状態となる。しかし、上記メモリセルMC内の選択トランジスタ34のゲートに接続されるワード線WL2および他の列に対応するワード線WL1、WL2はそれぞれ、ロウレベルの電位が印加される。
10、10A、10B、10C、10D 非磁性層
12、12a、12b 第1非磁性層
14、14a、14b 第2非磁性層
15a 第1部分
15b 第2部分
15c 第3部分
16 第3非磁性層
20 磁気抵抗素子
22 第1磁性層
24 スペーサ層(非磁性層)
26 第2磁性層
32 選択トランジスタ
34 選択トランジスタ
100 メモリセルアレイ
110 ワード線選択回路
120a、120b ビット線選択回路
130a、130b 書き込み回路
140a、140b 読み出し回路
Claims (13)
- 磁化方向が可変の第1磁性層と、磁化方向が固定された第2磁性層と、前記第1磁性層と前記第2磁性層との間に設けられた第1非磁性層と、を有する積層構造を備えた磁気抵抗素子と、
第1乃至第3部分を有し、前記第1部分は前記第2部分と前記第3部分との間に位置し、前記第1部分と前記第1非磁性層との間に前記第1磁性層が位置する、導電性の第2非磁性層と、
少なくとも前記第1部分と、前記第1磁性層との間に設けられ前記第2非磁性層よりも電気伝導率が高い第3非磁性層と、
を備えた磁気メモリ。 - 前記第3非磁性層は、前記第1部分と前記第1磁性層との間に設けられた第4部分と、第5部分と、第6部分とを、有し、前記第4部分が前記第5部分と前記第6部分との間に位置し、前記第5部分は前記第4部分から前記第5部分に向かって厚さが減少する部分を含み、前記第6部分は前記第4部分から前記第6部分に向かって厚さが減少する部分を含む請求項1記載の磁気メモリ。
- 前記第2部分は前記第1部分から前記第2部分に向かって厚さが減少する部分を含み、前記第3部分は前記第1部分から前記第3部分に向かって厚さが減少する部分を含む請求項2記載の磁気メモリ。
- 磁化方向が可変の第1磁性層と、磁化方向が固定された第2磁性層と、前記第1磁性層と前記第2磁性層との間に設けられた第1非磁性層と、を有する磁気抵抗素子と、
第1乃至第3部分を有し、前記第1部分は前記第2部分と前記第3部分との間に位置し、前記第1部分と前記第1非磁性層との間に前記第1磁性層が位置する、導電性の非磁性部材であって、前記第1部分は、第2非磁性層と、前記第2非磁性層と前記第1磁性層との間に位置し前記第2非磁性層よりも電気伝導率が高い第3非磁性層と、を有し、前記第2および第3部分は、前記第2非磁性層よりも電気伝導率が高い非磁性材料を含む非磁性部材と、
を備えた磁気メモリ。 - 前記第2および第3部分は、前記第3非磁性層よりも電気伝導率が高い非磁性材料を含む請求項4記載の磁気メモリ。
- 前記第1磁性層は前記第3非磁性層に接している請求項1乃至5のいずれかに記載の磁気メモリ。
- 前記第1磁性層と前記第3非磁性層との間に、前記第3非磁性層よりも電気伝導率が低い第4非磁性層を更に備えた請求項1または4記載の磁気メモリ。
- 前記第2非磁性層と前記第3非磁性層は、同じ元素を含むが結晶構造が異なる請求項1乃至7のいずれかに記載の磁気メモリ。
- 前記第2非磁性層は、Hf、Al、Mg、およびTiからなる群から選択された少なくとも1つ元素と、Bと、を含む請求項1乃至8のいずれかに記載の磁気メモリ。
- 前記第2部分に接続される第1端子と、前記第3部分に接続される第2端子と、を更に備えた請求項1乃至9のいずれかに記載の磁気メモリ。
- 前記磁気抵抗素子は、複数個であって、各磁気抵抗素子の前記第1磁性層と、前記第3非磁性層とが対向配置されている請求項1乃至10のいずれかに記載の磁気メモリ。
- 磁化方向が可変の第1磁性層と、磁化方向が固定された第2磁性層と、前記第1磁性層と前記第2磁性層との間に設けられた第1非磁性層と、を有する積層構造を備えた磁気抵抗素子と、
第1端子および第2端子を有する第1非磁性配線であって、前記第1端子と前記第2端子との間の領域に前記積層構造が位置し、前記第1非磁性層と前記第1非磁性配線との間に前記第1磁性層が位置する、第1非磁性配線と、
前記第1非磁性配線と前記積層構造との間に設けられ前記第1非磁性配線よりも電気伝導率が高い第2非磁性配線と、
を備えた磁気メモリ。 - 第1および第2配線と、
前記第1および第2配線と交差する第3乃至第4配線と、
前記第1乃至第2配線と交差し、前記第1端子に接続される第5配線と、
ソースおよびドレインの一方が前記第2磁性層に接続され、他方が前記第3配線に接続され、ゲートが前記第1配線に接続された第1トランジスタと、
ソースおよびドレインの一方が前記第2端子に接続され、他方が前記第4配線に接続され、ゲートが前記第2配線に接続された第2トランジスタと、
を更に備えた請求項10または12記載の磁気メモリ。
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