JP2023094193A - Layer structure of magnetic memory element, magnetic memory element, magnetic memory device, and method for storing data to magnetic memory element - Google Patents

Layer structure of magnetic memory element, magnetic memory element, magnetic memory device, and method for storing data to magnetic memory element Download PDF

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Abstract

To provide a layer structure of a magnetic memory element with improved drive current required for a magnetic domain wall movement and controllability of the magnetic domain wall movement, and a magnetic memory element including the same.SOLUTION: A layer structure 9 of a magnetic memory element 10 includes a plurality of antiferromagnetic layers 1 and a boundary layer 2 that is arranged between a plurality of antiferromagnetic layers 1,1 and configures a magnetic domain wall. The thickness of the boundary layer 2 is 2.0 nanometers or less.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、磁気メモリ素子に関し、より詳細には、磁壁運動に基づく情報の伝達を行う磁気メモリ素子の層構造、磁気メモリ素子、磁気メモリ装置、および磁気メモリ素子へデータを記憶する方法に関する。 The present invention relates to a magnetic memory element, and more particularly to a layer structure of a magnetic memory element that transmits information based on domain wall motion, a magnetic memory element, a magnetic memory device, and a method of storing data in the magnetic memory element.

情報量の飛躍的な増加に伴って、高密度で情報を記録することができるメモリ装置が必要とされている。そのようなメモリ装置として、現在はフラッシュメモリが広く用いられている。しかし、フラッシュメモリは、その動作原理上、酸化膜の劣化により書き込み可能回数が限られるという欠点や、情報の書き込みを繰り返す間に書き込み速度が遅くなるという欠点を有している。このことから、近年では、既存のフラッシュメモリの代わりとなる種々の磁気メモリが提案されている。 With the dramatic increase in the amount of information, there is a need for memory devices that can record information at high density. As such a memory device, flash memory is currently widely used. However, due to its operating principle, the flash memory has the drawback that the number of times it can be written is limited due to deterioration of the oxide film, and that the write speed slows down while the information is repeatedly written. For this reason, in recent years, various magnetic memories have been proposed to replace existing flash memories.

例えば特許文献1には、三次元の磁気メモリとして提案されている線状のレーストラックメモリが開示されている。また特許文献2には、記録方式にスピントランスファートルクを用いた磁気記憶装置が開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses a linear racetrack memory proposed as a three-dimensional magnetic memory. Further, Patent Document 2 discloses a magnetic storage device using spin transfer torque as a recording method.

特許文献1のレーストラックメモリでは、強磁性体が磁区で区切られて、スタック状にまたは線状に配置されている。ビットは磁区毎に定義されており、データは磁区における磁化の向きにより記憶されている。特許文献2の磁気記憶装置では、電流源からスタック内に電流を流して、スピン運動量移動により、各位置の隣の磁気層の間にトルクを発生させて磁化の方向を決めることにより、データ・ビットを記憶している。 In the racetrack memory of Patent Document 1, ferromagnetic materials are separated by magnetic domains and arranged in a stack or in a line. A bit is defined for each magnetic domain, and data is stored according to the orientation of magnetization in the magnetic domain. In the magnetic storage device of Patent Document 2, a current is passed through the stack from a current source to generate torque between the magnetic layers adjacent to each position due to spin momentum transfer, thereby determining the direction of magnetization, thereby storing data and data. remember bits.

米国特許第6834005号明細書U.S. Pat. No. 6,834,005 特開2009-239282号公報JP 2009-239282 A

特許文献1のレーストラックメモリでは、強磁性体の細線(磁気ナノワイヤ)に電流を流すことにより磁壁を移動させる。これにより磁区における磁化が一斉に一方向に移動しデータが伝達される。特許文献2の磁気記憶装置では、記録方式にスピントランスファートルクを用いるものの、スタック・メモリ内に磁壁は生じていない。 In the racetrack memory of Patent Literature 1, a domain wall is moved by applying a current to a ferromagnetic fine wire (magnetic nanowire). This causes the magnetization in the magnetic domains to move in one direction all at once, thereby transmitting data. In the magnetic storage device of Patent Document 2, although spin transfer torque is used in the recording method, no domain wall occurs in the stack memory.

特許文献1に示されているような磁壁運動(domain wall motion)に基づくタイプの情報伝達方式には、磁壁移動の駆動電流が高いという問題や、磁壁移動の制御性が悪いという問題が依然として存在している。このように、磁気メモリ素子において、磁壁移動に要する駆動電流や磁壁移動の制御性を改善することが求められている。 The information transmission method based on domain wall motion, such as that shown in Patent Document 1, still has the problem of high drive current for domain wall motion and poor controllability of domain wall motion. are doing. Thus, in the magnetic memory element, it is required to improve the controllability of the drive current required for the domain wall motion and the domain wall motion.

本発明は、磁壁移動に要する駆動電流や磁壁移動の制御性を改善した磁気メモリ素子の層構造および当該層構造を備える磁気メモリ素子を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a layered structure of a magnetic memory element with improved controllability of the driving current required for domain wall motion and domain wall motion, and a magnetic memory element having the layered structure.

上記目的を達成するための本発明は、例えば以下に示す態様を含む。
(項1)
複数の反強磁性層と、
複数の前記反強磁性層間に配置されて磁壁を構成する境界層と、
を備え、
前記境界層の厚さは2.0ナノメートル以下である、磁気メモリ素子の層構造。
(項2)
前記反強磁性層は、積層された複数の強磁性層を備えている、項1に記載の層構造。
(項3)
前記反強磁性層は、複数の前記強磁性層間に非磁性層をさらに備えている、項2に記載の層構造。
(項4)
前記境界層の厚さは0.5ナノメートル以下である、項1から3のいずれか一項に記載の層構造。
(項5)
項1から4のいずれか一項に記載の層構造と、
一方の前記反強磁性層の側に、前記境界層を挟んで配置される、スピン状態が切り替え可能な第1の強磁性層と、
前記第1の強磁性層に隣接して配置され、スピン軌道トルクにより前記第1の強磁性層の前記スピン状態を切り替えるための第1の電極と、
前記一方から最も離れた他方の前記反強磁性層の側に配置される第2の電極と、
を備える、磁気メモリ素子。
(項6)
前記一方から最も離れた他方の前記反強磁性層と前記第2の電極との間に配置される絶縁膜と、
前記絶縁膜と前記第2の電極との間に配置される、スピン状態が固定された第2の強磁性層と、
をさらに備え、
前記第2の電極を介して、前記他方の前記反強磁性層の前記スピン状態が読み出される、項5に記載の磁気メモリ素子。
(項7)
項6に記載の磁気メモリ素子と、
前記第1の電極内におよび前記第2の電極から前記第1の電極に電流を流す電流源と、
前記磁気メモリ素子に記憶されている、スピン状態で表されるデータを読み取るセンサと、
を備える、磁気メモリ装置。
(項8)
項5または6に記載の磁気メモリ素子へスピン状態で表されるデータを記憶する方法であって、
前記第1の電極内に電流を流して、スピン軌道トルクにより前記第1の強磁性層のスピン状態を設定する工程と、
前記第2の電極と前記第1の電極との間に電流を流して、スピントランスファートルクにより前記第1の強磁性層の前記スピン状態を一方の前記反強磁性層へ移行させる工程と、
を含む、磁気メモリ素子へデータを記憶する方法。
The present invention for achieving the above object includes, for example, the following aspects.
(Section 1)
a plurality of antiferromagnetic layers;
a boundary layer disposed between the plurality of antiferromagnetic layers and forming a domain wall;
with
A layered structure of a magnetic memory element, wherein the boundary layer has a thickness of 2.0 nanometers or less.
(Section 2)
Item 2. The layer structure of item 1, wherein the antiferromagnetic layer comprises a plurality of ferromagnetic layers that are stacked.
(Section 3)
Item 3. The layer structure according to item 2, wherein the antiferromagnetic layer further includes a nonmagnetic layer between the plurality of ferromagnetic layers.
(Section 4)
4. Layered structure according to any one of clauses 1 to 3, wherein the boundary layer has a thickness of 0.5 nanometers or less.
(Section 5)
A layer structure according to any one of Items 1 to 4;
a first ferromagnetic layer capable of switching a spin state, disposed on one side of the antiferromagnetic layer with the boundary layer interposed therebetween;
a first electrode positioned adjacent to the first ferromagnetic layer for switching the spin state of the first ferromagnetic layer by spin-orbit torque;
a second electrode disposed on the side of the other antiferromagnetic layer farthest from the one;
A magnetic memory element.
(Section 6)
an insulating film disposed between the other antiferromagnetic layer farthest from the one and the second electrode;
a second ferromagnetic layer having a fixed spin state disposed between the insulating film and the second electrode;
further comprising
Item 6. The magnetic memory element according to item 5, wherein the spin state of the other antiferromagnetic layer is read via the second electrode.
(Section 7)
Item 6. The magnetic memory element according to Item 6;
a current source that directs current into and from the first electrode and from the second electrode;
a sensor that reads data represented by a spin state stored in the magnetic memory element;
a magnetic memory device.
(Section 8)
7. A method for storing data represented by a spin state in the magnetic memory element according to item 5 or 6, comprising:
setting the spin state of the first ferromagnetic layer by a spin-orbit torque by passing a current through the first electrode;
applying a current between the second electrode and the first electrode to transfer the spin state of the first ferromagnetic layer to one of the antiferromagnetic layers by spin transfer torque;
A method of storing data in a magnetic memory element, comprising:

本発明によると、磁壁移動に要する駆動電流や磁壁移動の制御性を改善した磁気メモリ素子の層構造および当該層構造を備える磁気メモリ素子を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a layered structure of a magnetic memory element with improved controllability of the drive current required for the domain wall motion and the domain wall motion, and a magnetic memory element having the layered structure.

本発明の一実施形態に係る磁気メモリ素子の概略的な構成を模式的に示す断面図である。1 is a cross-sectional view schematically showing a schematic configuration of a magnetic memory element according to an embodiment of the invention; FIG. 本発明の一実施形態に係る磁気メモリ素子の動作を説明するための模式的な図である。4A and 4B are schematic diagrams for explaining the operation of a magnetic memory element according to an embodiment of the present invention; FIG. 本発明の一実施形態に係る磁気メモリ素子へデータを記憶する手順を説明するためのフローチャートである。4 is a flow chart for explaining a procedure for storing data in a magnetic memory element according to an embodiment of the invention; 本発明の一実施形態に係る磁気メモリ装置の概略的な構成を模式的に示す図である。1 is a diagram schematically showing a schematic configuration of a magnetic memory device according to one embodiment of the present invention; FIG. z軸方向の磁化と飽和磁化との比率Mz/Msの時間経過に関する数値シミュレーションの結果を示すグラフである。4 is a graph showing the results of numerical simulations of the ratio Mz/Ms between magnetization in the z-axis direction and saturation magnetization over time. 反強磁性層に生じている相互作用Jexと層構造の動作に要する電流密度Jcとの関連性に関する数値シミュレーションの結果を示すグラフである。5 is a graph showing the results of numerical simulations relating to the relationship between the interaction Jex occurring in the antiferromagnetic layer and the current density Jc required for the operation of the layer structure; 層構造の動作に要する電流密度Jcを反強磁性層と強磁性層とで比較した数値シミュレーションの結果を示すグラフである。5 is a graph showing the results of numerical simulation comparing the current density Jc required for operation of the layer structure between the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer. 境界層の厚さに関する数値シミュレーションの結果であり、強磁性相互作用Aexをフリーパラメータとしてz軸方向の磁化と飽和磁化との比率Mz/Msを計算した結果を示すグラフである。It is the result of numerical simulation regarding the thickness of the boundary layer, and is a graph showing the result of calculating the ratio Mz/Ms between the magnetization in the z-axis direction and the saturation magnetization using the ferromagnetic interaction Aex as a free parameter. 図8に示すグラフにおいてスピンの矢印が横向きに変化するために要する境界層の厚さを、強磁性相互作用Aexの値毎にプロットしたグラフである。9 is a graph plotting the thickness of the boundary layer required for the spin arrow to change in the horizontal direction in the graph shown in FIG. 8 for each value of ferromagnetic interaction Aex. 記録層に強磁性体を用いる磁気メモリ素子の概略的な構成を模式的に示す断面図である。1 is a cross-sectional view schematically showing a schematic configuration of a magnetic memory element using a ferromagnetic material for a recording layer; FIG.

以下、本発明の実施形態を、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお以下の説明および図面において、同じ符号は同じまたは類似の構成要素を示すこととし、よって、同じまたは類似の構成要素に関する重複した説明を省略する。 Embodiments of the present invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description and drawings, the same reference numerals denote the same or similar components, and redundant description of the same or similar components will be omitted.

なお本明細書において、用語「層」は、形成に用いる材料や、磁性および導電性等の物理的および化学的性質により他の層と区別される層のみを意味するのではなく、例えば単体の金属または合金等の或る材料の表面にまたは内部に、例えばスパッタリング等の方法により形成される膜や領域も意味する。特許請求の範囲に記載されている用語「層(layer)」は「膜(film)」および「領域(region)」を含む意味で解釈される。
[メモリ素子の構成]
In this specification, the term "layer" does not mean only a layer that is distinguished from other layers by physical and chemical properties such as materials used for formation and magnetism and conductivity. It also means a film or region formed on or in a material such as a metal or alloy, for example by a method such as sputtering. The term "layer" in the claims is to be interpreted to include "film" and "region".
[Configuration of memory device]

図1は、本発明の一実施形態に係る磁気メモリ素子の概略的な構成を模式的に示す断面図である。 FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a schematic configuration of a magnetic memory element according to one embodiment of the present invention.

本発明の一実施形態に係る磁気メモリ素子10は、複数の反強磁性層1(1a~1e)と、複数の境界層2(2a~2e)と、第1の強磁性層3と、第1の電極4と、絶縁膜5と、第2の強磁性層6と、第2の電極7と、を備える。例示する磁気メモリ素子10では、第1の強磁性層3と、複数の境界層2および複数の反強磁性層1の層構造9と、絶縁膜5と、第2の強磁性層6とが図中下側から順番に、第1の電極4と第2の電極7との間に積層された三次元構造を有している。以下に説明するように、本発明に係る磁気メモリ素子10の層構造9は、記録層として反強磁性層1を備えており、境界層2の厚さは、その内部に磁壁が構成されて磁壁層として動作可能な厚さである。 A magnetic memory element 10 according to an embodiment of the present invention includes a plurality of antiferromagnetic layers 1 (1a to 1e), a plurality of boundary layers 2 (2a to 2e), a first ferromagnetic layer 3, a 1 electrode 4 , an insulating film 5 , a second ferromagnetic layer 6 , and a second electrode 7 . In the illustrated magnetic memory element 10, the first ferromagnetic layer 3, the layer structure 9 of the plurality of boundary layers 2 and the plurality of antiferromagnetic layers 1, the insulating film 5, and the second ferromagnetic layer 6 are It has a three-dimensional structure laminated between the first electrode 4 and the second electrode 7 in order from the bottom in the drawing. As will be described below, the layer structure 9 of the magnetic memory element 10 according to the present invention includes an antiferromagnetic layer 1 as a recording layer, and the thickness of the boundary layer 2 is such that domain walls are formed therein. It is the thickness that can operate as a domain wall layer.

複数の反強磁性層1(1a~1e)は、スピン状態が切り替え可能な層である。一つの反強磁性層1は、1ビットのバイナリ情報を記憶するメモリセルとして機能する。強磁性体では複数のスピンが互いに揃うように配列されており、例えばスピンの矢印が上向きまたは下向きの2つの状態で表される強磁性体全体としての磁化の方向により、1ビットのバイナリ情報を表現する。これに対し反強磁性体では全体としての磁化は持たないものの、ミクロには磁気的な秩序があり、この状態に対して「0」または「1」の1ビットのバイナリ情報を割り当てることができる。すなわち反強磁性層1においてスピン状態が切り替え可能とは、1ビットのバイナリ情報に対応するスピン状態が割り当てられる層と表現することができる。 The plurality of antiferromagnetic layers 1 (1a to 1e) are layers whose spin states can be switched. One antiferromagnetic layer 1 functions as a memory cell that stores 1-bit binary information. In a ferromagnet, multiple spins are arranged so as to align with each other. For example, one bit of binary information can be generated by the direction of magnetization of the entire ferromagnetic material, which is represented by two states in which the spin arrow points upward or downward. express. On the other hand, an antiferromagnetic material does not have magnetization as a whole, but it has a microscopic magnetic order, and one-bit binary information of "0" or "1" can be assigned to this state. . That is, the antiferromagnetic layer 1 whose spin state can be switched can be expressed as a layer to which a spin state corresponding to 1-bit binary information is assigned.

反強磁性層1は、積層された複数の強磁性層11,12と、複数の強磁性層11,12間に配置された図示しない非磁性層とを備える。反強磁性層1において非磁性層は任意の構成であり、別の実施形態では非磁性層を省略することができる。反強磁性層1では、スピンの向きを互いに反対方向に維持する相互作用Jexが、積層された複数の強磁性層11,12間に生じている。これにより、一つの反強磁性層1内において、一方の強磁性層11内のスピンの向きと他方の強磁性層12内のスピンの向きとは互いに反対方向に維持されている。例えば、反強磁性層1において、強磁性層11内のスピンの矢印が上向きであり強磁性層12内のスピンの矢印が下向きである状態に、バイナリ情報「0」を割り当てることができ、強磁性層11内のスピンの矢印が下向きであり強磁性層12内のスピンの矢印が上向きである状態に、バイナリ情報「1」を割り当てることができる。なお、反強磁性層1におけるバイナリ情報の割り当ては例示するこの態様に限定されず、割り当てるバイナリ情報を例示する態様とは逆の論理としてもよい。 The antiferromagnetic layer 1 includes a plurality of laminated ferromagnetic layers 11 and 12 and a non-illustrated non-magnetic layer disposed between the ferromagnetic layers 11 and 12 . The non-magnetic layer in the antiferromagnetic layer 1 is optional, and may be omitted in another embodiment. In the antiferromagnetic layer 1, an interaction Jex that maintains the spin directions in opposite directions occurs between the laminated ferromagnetic layers 11 and 12. As shown in FIG. Thus, in one antiferromagnetic layer 1, the spin direction in one ferromagnetic layer 11 and the spin direction in the other ferromagnetic layer 12 are maintained in opposite directions. For example, in the antiferromagnetic layer 1, binary information “0” can be assigned to a state in which the spin arrow in the ferromagnetic layer 11 points upward and the spin arrow in the ferromagnetic layer 12 points downward. The binary information "1" can be assigned to the state where the spin arrows in the magnetic layer 11 point downwards and the spin arrows in the ferromagnetic layer 12 point upwards. The allocation of binary information in the antiferromagnetic layer 1 is not limited to this example, and the logic opposite to the example of the binary information to be assigned may be used.

例示的には、反強磁性層1は、コバルト、白金、およびガドリニウムを積層したCo/Pt/Gdの積層構造や、コバルトおよび白金の2つの積層間にイリジウムを積層した(Co/Pt)/Ir/(Co/Pt)の積層構造を用いて形成することができる。記号「/」は層構造の積層を意味する。これら積層構造は例えばスパッタリング法により形成することができる。反強磁性層1を構成するCo/Pt/Gdの積層構造において、Co層およびGd層が強磁性層11,12に対応し、Pt層が非磁性層に対応する。例示的には、Co層の厚さは約1nmであり、Pt層の厚さは約0.1nmであり、Gd層の厚さは約1nmである。(Co/Pt)/Ir/(Co/Pt)の層構造において、2つの(Co/Pt)層が強磁性層11,12に対応し、Ir層が非磁性層に対応する。例示的には、(Co/Pt)層の厚さは約2.4nmであり、Ir層の厚さは約0.5nmである。 For example, the antiferromagnetic layer 1 has a Co/Pt/Gd laminated structure in which cobalt, platinum, and gadolinium are laminated, or (Co/Pt) 6 in which iridium is laminated between two laminated layers of cobalt and platinum. It can be formed using a laminated structure of /Ir/(Co/Pt) 6 . The symbol "/" means stacking of layered structures. These laminated structures can be formed by sputtering, for example. In the Co/Pt/Gd laminated structure forming the antiferromagnetic layer 1, the Co layer and the Gd layer correspond to the ferromagnetic layers 11 and 12, and the Pt layer corresponds to the nonmagnetic layer. Illustratively, the Co layer is about 1 nm thick, the Pt layer is about 0.1 nm thick, and the Gd layer is about 1 nm thick. In the (Co/Pt) 6 /Ir/(Co/Pt) 6 layer structure, the two (Co/Pt) layers correspond to the ferromagnetic layers 11 and 12 and the Ir layer corresponds to the nonmagnetic layer. Illustratively, the (Co/Pt) 6 layer is about 2.4 nm thick and the Ir layer is about 0.5 nm thick.

境界層2は、複数の反強磁性層1間に配置されて磁壁を構成する。図示する態様では、境界層2のスピン状態は、スピンの矢印が例えば上向き、下向き、および横向きの3つの状態を有することができる。境界層2に磁壁が構成されている場合、境界層2のスピン状態は横向きの矢印で表される。なお説明の便宜上、スピンの矢印が横向きの状態は右向きのみとする。本実施形態では、境界層2は酸化マグネシウム(MgO)等の酸化膜を用いて形成されている。例示的には、境界層2に用いるMgO層の厚さは約1nmである。境界層2は例えばスパッタリング法により形成することができる。 The boundary layer 2 is arranged between the plurality of antiferromagnetic layers 1 to form a domain wall. In the illustrated embodiment, the spin state of the boundary layer 2 can have three states, with the spin arrow pointing up, down, and sideways, for example. When a domain wall is formed in the boundary layer 2, the spin state of the boundary layer 2 is represented by horizontal arrows. For convenience of explanation, the state in which the spin arrow points sideways is only to the right. In this embodiment, the boundary layer 2 is formed using an oxide film such as magnesium oxide (MgO). Illustratively, the thickness of the MgO layer used for boundary layer 2 is about 1 nm. The boundary layer 2 can be formed, for example, by a sputtering method.

第1の強磁性層3は、スピン状態が切り替え可能な強磁性層である。第1の強磁性層3は、層構造9中の図中下側に位置する反強磁性層1aの側に、境界層2を挟んで配置される。第1の強磁性層3は、反強磁性層1aに1ビットのバイナリ情報を書き込むための層として機能する。例示的には、第1の強磁性層3は、コバルトと白金との合金や、鉄とニッケルとの合金を用いて形成することができる。第1の強磁性層3の材料には、磁気抵抗メモリ(MRAM:Magnetoresistive Random Access Memory)でいうところの磁化固定層に用いる種々の材料を用いることができる。 The first ferromagnetic layer 3 is a ferromagnetic layer whose spin state can be switched. The first ferromagnetic layer 3 is arranged on the side of the antiferromagnetic layer 1a located on the lower side in the drawing in the layer structure 9 with the boundary layer 2 interposed therebetween. The first ferromagnetic layer 3 functions as a layer for writing 1-bit binary information in the antiferromagnetic layer 1a. Illustratively, the first ferromagnetic layer 3 can be formed using an alloy of cobalt and platinum or an alloy of iron and nickel. As a material for the first ferromagnetic layer 3, various materials used for a magnetization fixed layer in a magnetoresistive memory (MRAM: Magnetoresistive Random Access Memory) can be used.

第1の電極4は、第1の強磁性層3に隣接して配置され、スピン軌道トルクにより第1の強磁性層3のスピン状態を切り替える。第1の電極4は、スピン軌道トルク(SOT)層41と、スピン軌道トルク層41に電気的に接続される2つの底部電極42(42a,42b)とを備えている。 A first electrode 4 is arranged adjacent to the first ferromagnetic layer 3 and switches the spin state of the first ferromagnetic layer 3 by spin-orbit torque. The first electrode 4 comprises a spin-orbit torque (SOT) layer 41 and two bottom electrodes 42 ( 42 a, 42 b ) electrically connected to the spin-orbit torque layer 41 .

第1の電極4の端子21と端子22との間に、第1の強磁性層3のスピン状態を切り替えるための駆動電流を流すことにより、図中に一点鎖線で示す書込電流Iwがスピン軌道トルク層41に流れ、スピン軌道相互作用により生じるスピン軌道トルクにより、第1の強磁性層3のスピン状態が切り替えられる。第1の強磁性層3のスピン状態は、書込電流Iwの向きに応じて決定される。本実施形態では、書込電流Iwはパルス状である。例示的には、スピン軌道トルク層41は、白金等の重金属を用いて形成することができる。底部電極42は、例えば金および銅等の種々の導電体金属を用いて形成することができる。 By passing a drive current for switching the spin state of the first ferromagnetic layer 3 between the terminal 21 and the terminal 22 of the first electrode 4, the write current Iw indicated by a dashed line in the figure changes the spin state. The spin state of the first ferromagnetic layer 3 is switched by the spin-orbit torque flowing in the orbital torque layer 41 and caused by the spin-orbit interaction. The spin state of the first ferromagnetic layer 3 is determined according to the direction of the write current Iw. In this embodiment, the write current Iw is pulsed. Illustratively, the spin-orbit torque layer 41 can be formed using a heavy metal such as platinum. Bottom electrode 42 may be formed using a variety of conductive metals such as gold and copper.

絶縁膜5および第2の強磁性層6は、層構造9中の図中上側に位置する反強磁性層1dと組み合わされて、この反強磁性層1dのスピン状態を読み出すための、磁気トンネル接合(MTJ:Magnetic Tunnel Junction)として機能する。反強磁性層1dは、磁気トンネル接合の自由層として機能する。反強磁性層1dのスピン状態は、反強磁性層1dと、絶縁膜5と、第2の強磁性層6とを流れる電流(読み出し電流)の大きさを測定することにより読み出される。磁気トンネル接合によりスピン状態を読み出す方法は公知であるので、本明細書におけるこれ以上の詳細な説明は省略する。 The insulating film 5 and the second ferromagnetic layer 6 are combined with the upper antiferromagnetic layer 1d in the layer structure 9 to form a magnetic tunnel for reading the spin state of this antiferromagnetic layer 1d. It functions as a junction (MTJ: Magnetic Tunnel Junction). The antiferromagnetic layer 1d functions as a free layer of the magnetic tunnel junction. The spin state of the antiferromagnetic layer 1d is read by measuring the magnitude of the current (readout current) flowing through the antiferromagnetic layer 1d, the insulating film 5, and the second ferromagnetic layer 6. FIG. Since the method of reading the spin state by magnetic tunnel junction is well known, further detailed description is omitted here.

絶縁膜5は、磁気トンネル接合のトンネル層として機能する。絶縁膜5は、層構造9中の図中上側に位置する反強磁性層1dと第2の電極7との間に配置される。第2の強磁性層6は、スピン状態が固定(図示する態様では矢印の上向き)された層であり、磁気トンネル接合の固定層として機能する。本実施形態では、第2の強磁性層6のスピン状態は、スピンの矢印が上向きの状態に固定されていることとする。第2の強磁性層6は、絶縁膜5と第2の電極7との間に配置される。絶縁膜5は、例えば酸化マグネシウム(MgO)等の酸化膜を用いて形成することができる。第2の強磁性層6は、例えばコバルトと鉄とホウ素との合金であるCoFeBを用いて形成することができる。第2の強磁性層6の材料には、MRAMでいうところの磁化固定層に用いる種々の材料を用いることができる。 The insulating film 5 functions as a tunnel layer of the magnetic tunnel junction. The insulating film 5 is arranged between the antiferromagnetic layer 1 d located on the upper side in the drawing in the layer structure 9 and the second electrode 7 . The second ferromagnetic layer 6 is a layer whose spin state is fixed (the arrow points upward in the illustrated embodiment), and functions as a fixed layer of the magnetic tunnel junction. In this embodiment, the spin state of the second ferromagnetic layer 6 is fixed such that the spin arrow points upward. A second ferromagnetic layer 6 is arranged between the insulating film 5 and the second electrode 7 . The insulating film 5 can be formed using an oxide film such as magnesium oxide (MgO). The second ferromagnetic layer 6 can be formed using, for example, CoFeB, which is an alloy of cobalt, iron and boron. As the material of the second ferromagnetic layer 6, various materials used for the fixed magnetization layer in MRAM can be used.

第2の電極7は、層構造9中の図中上側に位置する反強磁性層1dのスピン状態を読み出す。第2の電極7は、図中上側に位置する反強磁性層1dの側に、第2の強磁性層6に隣接して配置される。 The second electrode 7 reads out the spin state of the antiferromagnetic layer 1d located on the upper side of the layer structure 9 in the figure. The second electrode 7 is arranged adjacent to the second ferromagnetic layer 6 on the side of the antiferromagnetic layer 1d located on the upper side in the figure.

第1の電極4の端子21および端子22のいずれか一方と、第2の電極7の端子23との間に、磁壁を移動させるための駆動電流を流すことにより、図中に二点鎖線で示す磁壁駆動電流Idが、第2の電極7と第1の電極4との間を流れる。これにより、第2の電極7と第1の電極4との間に位置する複数の境界層2(2a~2d)において磁壁を移動させることができ、複数の反強磁性層1(1a~1d)におけるそれぞれのスピン状態を、レーストラック式にシフトして順次移行することができる。絶縁膜5および第2の強磁性層6は、読み出し用の磁気トンネル接合として機能する。これにより、層構造9中の図中上側に位置する反強磁性層1dのスピン状態は、第2の電極7を介して読み出される。本実施形態では、磁壁駆動電流Idはパルス状である。例示的には、第2の電極7は、金および銅等の種々の導電体金属を用いて形成することができる。
[メモリ素子の動作]
By passing a driving current for moving the domain wall between either one of the terminals 21 and 22 of the first electrode 4 and the terminal 23 of the second electrode 7, A domain wall drive current Id shown flows between the second electrode 7 and the first electrode 4 . As a result, domain walls can be moved in a plurality of boundary layers 2 (2a to 2d) located between the second electrode 7 and the first electrode 4, and a plurality of antiferromagnetic layers 1 (1a to 1d) can be moved. ) can be shifted sequentially in a racetrack fashion. The insulating film 5 and the second ferromagnetic layer 6 function as a magnetic tunnel junction for reading. As a result, the spin state of the antiferromagnetic layer 1 d located on the upper side in the drawing in the layer structure 9 is read out via the second electrode 7 . In this embodiment, the domain wall driving current Id is pulsed. Illustratively, the second electrode 7 can be formed using various conductive metals such as gold and copper.
[Operation of memory device]

図2は、本発明の一実施形態に係る磁気メモリ素子の動作を説明するための模式的な図である。図3は、本発明の一実施形態に係る磁気メモリ素子へデータを記憶する手順を説明するためのフローチャートである。 FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the operation of the magnetic memory device according to one embodiment of the present invention. FIG. 3 is a flowchart for explaining the procedure for storing data in the magnetic memory element according to one embodiment of the invention.

一実施形態に係る磁気メモリ素子10へデータを記憶する方法は、第1の電極4の底部電極42aと42b間に電流を流して、スピン軌道トルクにより第1の強磁性層3のスピン状態を設定する工程(ステップS1)と、第2の電極7と第1の電極4との間に磁壁駆動電流Idを流して、スピントランスファートルクにより第1の強磁性層3のスピン状態を反強磁性層1(1a)へ移行させる工程(ステップS2)とを含む。 A method for storing data in the magnetic memory element 10 according to one embodiment is to apply a current between the bottom electrodes 42a and 42b of the first electrode 4 to change the spin state of the first ferromagnetic layer 3 by spin-orbit torque. In the step of setting (step S1), the domain wall driving current Id is passed between the second electrode 7 and the first electrode 4, and the spin state of the first ferromagnetic layer 3 is changed to antiferromagnetic by the spin transfer torque. and a step of transitioning to layer 1 (1a) (step S2).

以下、一実施形態に係る磁気メモリ素子10へデータを記憶する図3に示す手順と、磁気メモリ素子10からデータを読み出す手順とを説明する。例示する態様では、磁気メモリ素子10は、5つのメモリセルを備えており、合計で5ビットのバイナリ情報を記憶する。 The procedure shown in FIG. 3 for storing data in the magnetic memory element 10 according to one embodiment and the procedure for reading data from the magnetic memory element 10 will be described below. In the illustrated embodiment, magnetic memory element 10 includes five memory cells to store a total of five bits of binary information.

・データの初期化
磁気メモリ素子10の動作を説明するにあたり、磁気メモリ素子10は図2の(I)に示す初期状態にあるとする。磁気メモリ素子10の初期化は、例えば、第1の電極4から第2の電極7に、パルス状の磁壁駆動電流Idを所定の回数流し続けることにより行うことができる。なお、第2の強磁性層6のスピン状態は、予め所定の向き(例えば上向き)に固定されているので、初期化によっても変化しない。
Data Initialization In describing the operation of the magnetic memory element 10, it is assumed that the magnetic memory element 10 is in the initial state shown in FIG. 2(I). The magnetic memory element 10 can be initialized, for example, by continuously supplying a pulsed domain wall driving current Id from the first electrode 4 to the second electrode 7 for a predetermined number of times. The spin state of the second ferromagnetic layer 6 is fixed in advance in a predetermined direction (for example, upward), and therefore does not change even after initialization.

・データの書き込み
磁気メモリ素子10へのデータの書き込みは、第1の強磁性層3を介して行う。本実施形態では、第1の強磁性層3を層構造9の下方に配置している関係で、データの書き込みは、複数の反強磁性層1(1a~1e)のうち最も下方に位置する反強磁性層1aから行う。第1の電極4に右向きに書込電流Iwを流すと、図2の(II)に示すように、第1の強磁性層3のスピン状態は、書込電流Iwによるスピン軌道トルクにより、スピンの矢印が下向きの状態から上向きの状態に切り替えられる。これに伴い、第1の強磁性層3と反強磁性層1aとの間に位置する境界層2aには、スピンの横向きの矢印で示される磁壁が構成される。
Data Writing Data is written to the magnetic memory element 10 via the first ferromagnetic layer 3 . In this embodiment, since the first ferromagnetic layer 3 is arranged below the layer structure 9, data is written in the lowest position among the plurality of antiferromagnetic layers 1 (1a to 1e). This is done from the antiferromagnetic layer 1a. When a rightward write current Iw is applied to the first electrode 4, as shown in FIG. arrow is switched from downward to upward. Along with this, a domain wall indicated by a horizontal spin arrow is formed in the boundary layer 2a positioned between the first ferromagnetic layer 3 and the antiferromagnetic layer 1a.

・磁壁の移動
第2の電極7から第1の電極4にパルス状の磁壁駆動電流Idを流すと、図2の(III)に示すように、境界層2aに構成されている磁壁は、反強磁性層1aと反強磁性層1bとの間に位置する境界層2bに移動する。これにより、第1の強磁性層3および複数の反強磁性層1(1a~1e)のそれぞれのスピン状態は、磁壁駆動電流Idによるスピントランスファートルクにより生じる磁壁移動によって、図中上側の層へレーストラック式に順次移行する。このように、スピントランスファートルクによる磁壁移動によってスピン状態が順次移行することにより、第1の強磁性層3のスピン状態は反強磁性層1aに移行する。
Movement of Domain Wall When a pulse-like domain wall driving current Id is passed from the second electrode 7 to the first electrode 4, the domain wall formed in the boundary layer 2a moves in a reverse direction as shown in FIG. 2(III). It moves to the boundary layer 2b located between the ferromagnetic layer 1a and the antiferromagnetic layer 1b. As a result, the spin state of each of the first ferromagnetic layer 3 and the plurality of antiferromagnetic layers 1 (1a to 1e) is shifted to the upper layer in the figure by the domain wall displacement caused by the spin transfer torque caused by the domain wall drive current Id. It will gradually shift to a racetrack system. As described above, the spin state of the first ferromagnetic layer 3 is shifted to the antiferromagnetic layer 1a by the sequential shift of the spin state due to the magnetic domain wall motion caused by the spin transfer torque.

なお、上記した説明とは逆方向に、第1の電極4から第2の電極7にパルス状の磁壁駆動電流Idを流すと、第1の強磁性層3および複数の反強磁性層1(1a~1e)のそれぞれのスピン状態は、磁壁駆動電流Idによるスピントランスファートルクにより生じる磁壁移動によって、図中下側の層へレーストラック式に順次移行する。本実施形態では、データの書込に用いる第1の強磁性層3を層構造9の下方に配置し、データの読み出しに用いる絶縁膜5および第2の強磁性層6を層構造9の上方に配置している関係で、第2の電極7から第1の電極4に磁壁駆動電流Idを流し、スピン状態を図中上側の層へ順次移行させている。 When a pulsed domain wall driving current Id flows from the first electrode 4 to the second electrode 7 in the opposite direction to the above explanation, the first ferromagnetic layer 3 and the plurality of antiferromagnetic layers 1 ( Each of the spin states 1a to 1e) is sequentially transferred to the lower layer in the drawing in a racetrack manner due to the domain wall displacement caused by the spin transfer torque caused by the domain wall driving current Id. In this embodiment, the first ferromagnetic layer 3 used for writing data is arranged below the layer structure 9, and the insulating film 5 and the second ferromagnetic layer 6 used for reading data are arranged above the layer structure 9. , the domain wall driving current Id is passed from the second electrode 7 to the first electrode 4 to sequentially shift the spin state to the upper layer in the figure.

引き続き、第2の電極7から第1の電極4にパルス状の磁壁駆動電流Idを流すと、図2の(IV)に示すように、境界層2bに構成されている磁壁は、反強磁性層1bと反強磁性層1cとの間に位置する境界層2cに移動し、図2の状態(II)を参照して説明したスピン状態の順次移行も引き続き継続する。反強磁性層1aのスピン状態は反強磁性層1bに移行する。 Subsequently, when a pulsed domain wall driving current Id is passed from the second electrode 7 to the first electrode 4, the domain wall formed in the boundary layer 2b becomes antiferromagnetic as shown in FIG. 2(IV). Moving to the boundary layer 2c located between the layer 1b and the antiferromagnetic layer 1c, the sequential transition of spin states described with reference to state (II) in FIG. 2 also continues. The spin state of the antiferromagnetic layer 1a shifts to the antiferromagnetic layer 1b.

・データの読み出し
磁気メモリ素子10からのデータの読み出しは、絶縁膜5および第2の強磁性層6を介して行う。本実施形態では、絶縁膜5および第2の強磁性層6を層構造9の上方に配置している関係で、データの読み出しは、複数の反強磁性層1(1a~1e)のうち最も上方に位置する反強磁性層1eから行う。反強磁性層1eのスピン状態は、反強磁性層1eと、絶縁膜5と、第2の強磁性層6とを流れる読み出し電流の大きさを、磁気トンネル接合を用いて測定することにより読み出される。なお、スピン状態の順次移行はパルス毎に生じるので、スピン状態を読み出すための磁気トンネル接合は磁気メモリ素子10毎に一つでよい。
Data Reading Data is read from the magnetic memory element 10 via the insulating film 5 and the second ferromagnetic layer 6 . In this embodiment, since the insulating film 5 and the second ferromagnetic layer 6 are arranged above the layer structure 9, data is read from the most antiferromagnetic layer 1 (1a to 1e). This is done from the antiferromagnetic layer 1e positioned above. The spin state of the antiferromagnetic layer 1e is read by measuring the magnitude of the readout current flowing through the antiferromagnetic layer 1e, the insulating film 5, and the second ferromagnetic layer 6 using a magnetic tunnel junction. be Since the sequential transition of the spin state occurs for each pulse, only one magnetic tunnel junction for reading the spin state is required for each magnetic memory element 10 .

まず、反強磁性層1eのスピン状態について、磁気トンネル接合を用いて測定することにより、スピン状態に対応するバイナリ情報を読み出す。次いで、第2の電極7から第1の電極4にパルス状の磁壁駆動電流Idを流す。これにより、スピントランスファートルクによる磁壁移動によってスピン状態が図中上側の層へレーストラック式に順次移行する。反強磁性層1eに記憶されていたスピン状態に対応するバイナリ情報は、パルス状の磁壁駆動電流Idを流すことにより破壊されるが、このバイナリ情報は、パルス状の磁壁駆動電流Idを流す前に磁気トンネル接合を用いて既に読み出されている。 First, the spin state of the antiferromagnetic layer 1e is measured using a magnetic tunnel junction to read binary information corresponding to the spin state. Next, a pulsed domain wall driving current Id is passed from the second electrode 7 to the first electrode 4 . As a result, the spin state is sequentially transferred to the upper layer in the figure in a racetrack manner due to domain wall movement due to the spin transfer torque. Binary information corresponding to the spin state stored in the antiferromagnetic layer 1e is destroyed by applying the pulsed domain wall driving current Id. have already been read out using magnetic tunnel junctions.

以後、反強磁性層1eのスピン状態について、磁気トンネル接合を用いて測定する工程と、第2の電極7から第1の電極4にパルス状の磁壁駆動電流Idを流す工程とを含む読み出し動作を繰り返し適用することにより、複数の反強磁性層1のスピン状態に対応するバイナリ情報を磁気メモリ素子10から読み出すことができる。 Thereafter, a read operation including a step of measuring the spin state of the antiferromagnetic layer 1e using a magnetic tunnel junction and a step of passing a pulsed domain wall driving current Id from the second electrode 7 to the first electrode 4. is repeatedly applied, binary information corresponding to the spin states of a plurality of antiferromagnetic layers 1 can be read from the magnetic memory element 10 .

なお、以上に説明した磁気メモリ素子10の動作の一例では、反強磁性層1eからのデータの読み出しは、DRAM(Dynamic Random Access Memory)と同様の破壊読み出し方式となるため、読み出し動作の後で再度データを書き込むと良い。
[磁気メモリ装置の構成]
In the example of the operation of the magnetic memory element 10 described above, data is read from the antiferromagnetic layer 1e by a destructive read method similar to that of a DRAM (Dynamic Random Access Memory). Write the data again.
[Configuration of magnetic memory device]

図4は、本発明の一実施形態に係る磁気メモリ装置の概略的な構成を模式的に示す図である。 FIG. 4 is a diagram schematically showing a schematic configuration of a magnetic memory device according to one embodiment of the present invention.

一実施形態に係る磁気メモリ装置20は、磁気メモリ素子10と、電流源24と、センサ25とを備える。 A magnetic memory device 20 according to one embodiment includes a magnetic memory element 10 , a current source 24 and a sensor 25 .

電流源24は、磁気メモリ素子10の第1の電極4の底部電極42aと底部電極42bとの間および第2の電極7から第1の電極4に電流を流す。センサ25は、磁気メモリ素子10に記憶されている、スピン状態で表されるデータを読み取る。センサ25は、磁気メモリ素子10を流れる読み出し電流の電流値を測定し、その値から抵抗値を検知して磁気メモリ素子のスピン状態を読み出すことができる。電流源24およびセンサ25は、メモリコントローラ26に接続されている。メモリコントローラ26は、電流源24およびセンサ25の動作を制御することにより、磁気メモリ素子10への書込動作および磁気メモリ素子10からの読み出し動作を制御する。センサ25を介して読み取られるデータは、データバス27を通じて送受信される。電流源24から磁気メモリ素子10の第1の電極4および第2の電極7への接続は、例えばスイッチ28a,28bを用いて切り替えられる。スイッチ28a,28bの動作は、例えばメモリコントローラ26により制御される。磁気メモリ素子10は、複数がアレイ状に配置されてメモリアレイを構成することができる。
[層構造に関する数値シミュレーション]
The current source 24 causes current to flow between the bottom electrodes 42 a and 42 b of the first electrode 4 of the magnetic memory element 10 and from the second electrode 7 to the first electrode 4 . The sensor 25 reads data represented by spin states stored in the magnetic memory element 10 . The sensor 25 can measure the current value of the read current flowing through the magnetic memory element 10, detect the resistance value from the measured value, and read the spin state of the magnetic memory element. Current source 24 and sensor 25 are connected to memory controller 26 . The memory controller 26 controls write operations to the magnetic memory element 10 and read operations from the magnetic memory element 10 by controlling the operations of the current source 24 and the sensor 25 . Data read through sensor 25 is transmitted and received through data bus 27 . The connection from the current source 24 to the first electrode 4 and the second electrode 7 of the magnetic memory element 10 is switched using switches 28a and 28b, for example. The operations of the switches 28a and 28b are controlled by the memory controller 26, for example. A plurality of magnetic memory elements 10 can be arranged in an array to form a memory array.
[Numerical simulation of layer structure]

図5~図9は、本発明の一実施形態に係る磁気メモリ素子の層構造に関する種々の数値シミュレーションの結果である。以下において説明する種々の数値シミュレーションに共通するシミュレーション条件は次の通りである。シミュレーションのパラメータは、典型的なMRAMの材料を仮定している。
[層の形状およびサイズ]
それぞれの層(レイヤー)は、1nm×1nm×1nmのセルで構成された、直径が20nmで厚さが3nmの円盤形状である。
[層の数および層構造]
図4に示す層構造であり、合計16層である。それぞれの層についての材料パラメータは次の通り。ここで、Msは飽和磁化の大きさを意味し、Kuは磁気異方性の大きさを意味し、Aexは強磁性相互作用(Magnetic Stiffness)の大きさを意味する。強磁性相互作用Aexとは、スピンの向きを揃えるための相互作用である。Jexはスピンの向きを互いに反対方向に維持する相互作用の大きさを意味する。相互作用Jexおよび強磁性相互作用Aexはそれぞれ独立した相互作用である。磁壁層におけるKuの値がゼロであるので、磁壁は記録層ではなく磁壁層にトラップされる。これにより磁壁位置の制御性が向上する。
・レイヤー2,5,8,11,14(磁壁層)
Aex=1×10-12[J/m]、Ku=0、Ms=8×10[A/m]
磁壁層は、本発明の一実施形態に係る磁気メモリ素子10における境界層2に対応する。
・レイヤー3,4,6,7,9,10、12,13,15,16(記録層)
Aex=1×10-11[J/m]、Ku=1×10[J/m]、Ms=8×10[A/m]、Jex=-3.0[erg/cm
記録層は、本発明の一実施形態に係る磁気メモリ素子10における強磁性層11,12に対応し、例えばレイヤー3およびレイヤー4等の隣接する2つの記録層が、一つの反強磁性層1を構成する。スピンの向きを互いに反対方向に維持する相互作用Jexを、隣接する2つの記録層間に導入することにより、これら隣接する2つの記録層が一つの反強磁性層1として動作することをシミュレートする。
・レイヤー1(ピン層)
Aex=1×10-11[J/m]、Ku=1×10[J/m]、Ms=8×10[A/m]
ピン層は、本発明の一実施形態に係る磁気メモリ素子10における第1の強磁性層3に対応する。
5 to 9 are results of various numerical simulations regarding the layer structure of the magnetic memory element according to one embodiment of the present invention. Simulation conditions common to various numerical simulations described below are as follows. The simulation parameters assume typical MRAM materials.
[Layer shape and size]
Each layer is disc-shaped with a diameter of 20 nm and a thickness of 3 nm, composed of cells of 1 nm×1 nm×1 nm.
[Number of layers and layer structure]
This is the layered structure shown in FIG. 4, with a total of 16 layers. The material parameters for each layer are as follows. Here, Ms means the magnitude of saturation magnetization, Ku means the magnitude of magnetic anisotropy, and Aex means the magnitude of ferromagnetic interaction (Magnetic Stiffness). The ferromagnetic interaction Aex is an interaction for aligning the directions of spins. Jex means the magnitude of interaction that maintains the spin directions in opposite directions. The interaction Jex and the ferromagnetic interaction Aex are independent interactions. Since the value of Ku in the domain wall layer is zero, the domain wall is trapped in the domain wall layer instead of the recording layer. This improves the controllability of the domain wall position.
・Layers 2, 5, 8, 11, 14 (domain wall layers)
Aex=1×10 −12 [J/m], Ku=0, Ms=8×10 5 [A/m]
The domain wall layer corresponds to the boundary layer 2 in the magnetic memory element 10 according to one embodiment of the invention.
・Layers 3, 4, 6, 7, 9, 10, 12, 13, 15, 16 (recording layers)
Aex=1×10 −11 [J/m], Ku=1×10 6 [J/m 3 ], Ms=8×10 5 [A/m], Jex=−3.0 [erg/cm 2 ]
The recording layers correspond to the ferromagnetic layers 11 and 12 in the magnetic memory element 10 according to one embodiment of the present invention. configure. By introducing an interaction Jex between two adjacent recording layers that maintains the spin directions in opposite directions, it is simulated that these two adjacent recording layers operate as one antiferromagnetic layer 1. .
・Layer 1 (pin layer)
Aex=1×10 −11 [J/m], Ku=1×10 7 [J/m 3 ], Ms=8×10 5 [A/m]
The pinned layer corresponds to the first ferromagnetic layer 3 in the magnetic memory element 10 according to one embodiment of the invention.

以下、図5~図9を参照して、本発明の一実施形態に係る磁気メモリ素子10の層構造9に関する種々の数値シミュレーションの結果を説明する。
[層構造の動作]
Various numerical simulation results regarding the layer structure 9 of the magnetic memory element 10 according to one embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.
[Operation of layer structure]

図5は、z軸方向の磁化と飽和磁化との比率Mz/Msの時間経過に関する数値シミュレーションの結果を示すグラフである。第1の数値シミュレーションでは、図2に示す磁気メモリ素子10の層構造9にパルス状の磁壁駆動電流Idを流すことにより層構造が動作する様子をシミュレートする。数値シミュレーションの結果を図5に示す。 FIG. 5 is a graph showing the result of numerical simulation regarding the passage of time of the ratio Mz/Ms between the magnetization in the z-axis direction and the saturation magnetization. In the first numerical simulation, the operation of the layer structure is simulated by applying a pulsed domain wall driving current Id to the layer structure 9 of the magnetic memory element 10 shown in FIG. The results of numerical simulation are shown in FIG.

図5において、上段は境界層2(磁壁層DW:Domain Wall)に関するシミュレーション結果であり、下段は反強磁性層1(AFM:antiferromagnetic)に関するシミュレーション結果である。レイヤー番号は図2と図5との間で対応しており、状態(II)~状態(IV)も図2と図5との間で対応している。図5のグラフの縦軸に示す磁化の比率Mz/Msの値は、図2の層構造に示すスピンの矢印の向きに対応する。磁化の比率Mz/Msの値「1」、「0」および「-1」はそれぞれ、スピンの矢印の上向き、横向きおよび下向きをそれぞれ意味する。境界層2に磁壁が構成されている場合、境界層2のスピン状態は横向きの矢印で表される。 In FIG. 5, the upper stage shows the simulation results for the boundary layer 2 (domain wall layer DW), and the lower stage shows the simulation results for the antiferromagnetic layer 1 (AFM: antiferromagnetic). Layer numbers correspond between FIGS. 2 and 5, and states (II) to (IV) also correspond between FIGS. The value of the magnetization ratio Mz/Ms shown on the vertical axis of the graph of FIG. 5 corresponds to the direction of the spin arrow shown in the layer structure of FIG. The values '1', '0' and '-1' of the magnetization ratio Mz/Ms mean the upward, sideways and downward directions of the spin arrow, respectively. When a domain wall is formed in the boundary layer 2, the spin state of the boundary layer 2 is represented by horizontal arrows.

・境界層2に構成される磁壁の移動
図5および図2を参照して、境界層2に構成される磁壁が移動する様子を説明する。図2の(II)に示す状態では、レイヤー番号2の境界層2aに、スピンの横向きの矢印で示される磁壁が構成されている。次いで磁壁駆動電流Idが層構造に流された(III)に示す状態では、レイヤー番号5の境界層2bに、スピンの横向きの矢印で示される磁壁が構成されている。次いで磁壁駆動電流Idが層構造に流された(IV)に示す状態では、レイヤー番号8の境界層2cに、スピンの横向きの矢印で示される磁壁が構成されている。
Movement of Domain Wall Constructed in Boundary Layer 2 Movement of the domain wall constructed in the boundary layer 2 will be described with reference to FIGS. 5 and 2. FIG. In the state shown in FIG. 2(II), the boundary layer 2a of the layer number 2 forms a domain wall indicated by the horizontal spin arrow. Next, in the state shown in (III) in which the domain wall driving current Id is passed through the layer structure, domain walls indicated by horizontal spin arrows are formed in the boundary layer 2b of layer number 5. FIG. Next, in the state shown in (IV) in which the domain wall driving current Id is passed through the layer structure, domain walls indicated by horizontal spin arrows are formed in the boundary layer 2c of layer number 8. FIG.

境界層2に関するシミュレーション結果を示す図5の上段を参照し、境界層2を構成する各レイヤー番号について、状態(II)~状態(IV)の時間経過に沿って磁化の比率Mz/Msの値を確認する。状態(II)では、符号52を付したレイヤー番号2の境界層2aが値「0」となっており、状態(III)では、符号55を付したレイヤー番号5の境界層2bが値「0」となっており、状態(IV)では、符号58を付したレイヤー番号8の境界層2cが値「0」となっていることが確認される。また、レイヤー番号2,5,8の境界層2a,2b,2cにおいて、磁壁が移動する前のまたは移動した後の磁化の比率Mz/Msの値は「1」または「-1」となっており、値「0」を維持することなくスピン状態が適切に変化していることが確認される。 Referring to the upper part of FIG. 5 showing the simulation results for the boundary layer 2, for each layer number constituting the boundary layer 2, the value of the magnetization ratio Mz/Ms along the time course of the state (II) to the state (IV) to confirm. In state (II), the boundary layer 2a of layer number 2 denoted by reference numeral 52 has a value of "0", and in state (III), the boundary layer 2b of layer number 5 denoted by reference numeral 55 has a value of "0". , and in state (IV), it is confirmed that the boundary layer 2c of layer number 8 denoted by reference numeral 58 has a value of "0". In the boundary layers 2a, 2b, and 2c of layer numbers 2, 5, and 8, the value of the magnetization ratio Mz/Ms before or after the movement of the domain wall is "1" or "-1". , it is confirmed that the spin state is appropriately changed without maintaining the value "0".

これにより、磁壁駆動電流Idが層構造に流れる度に、境界層2に構成される磁壁が図中上側の境界層2へレーストラック式に順次移行することが、数値シミュレーションにより確認される。 As a result, it is confirmed by the numerical simulation that the domain wall formed in the boundary layer 2 shifts to the upper boundary layer 2 in the figure in a racetrack manner every time the domain wall driving current Id flows through the layer structure.

・反強磁性層1におけるスピン状態の変化
図5および図2を参照して、反強磁性層1におけるスピン状態の変化を説明する。レイヤー番号2の境界層2aに磁壁が構成された図2の(II)に示す状態を参照すると、磁壁が構成されたレイヤー番号2の境界層2aの上側に位置するレイヤー番号3,4の反強磁性層1aでは、スピンの矢印が互いに外側を向く反平行の組み合わせの状態にある。次いで磁壁駆動電流Idが層構造に流された(III)に示す状態では、レイヤー番号2の境界層2aに構成されていた磁壁がレイヤー番号5の境界層2bに移動するとともに、レイヤー番号3,4の反強磁性層1aでは、スピン状態が変化し、スピンの矢印が互いに内側を向く反平行の組み合わせの状態となる。磁壁が構成されたレイヤー番号5の境界層2bの上側に位置するレイヤー番号6,7の反強磁性層1bでは、スピンの矢印が互いに内側を向く反平行の組み合わせの状態にある。次いで磁壁駆動電流Idが層構造に流された(IV)に示す状態では、レイヤー番号5の境界層2bに構成されていた磁壁がレイヤー番号8の境界層2cに移動するとともに、レイヤー番号6,7の反強磁性層1bでは、スピン状態が変化し、スピンの矢印が互いに外側を向く反平行の組み合わせの状態となる。
Change in Spin State in Antiferromagnetic Layer 1 A change in spin state in the antiferromagnetic layer 1 will be described with reference to FIGS. 5 and 2. FIG. Referring to the state shown in FIG. 2(II) in which the domain wall is formed in the boundary layer 2a of the layer number 2, the opposite layers of the layer numbers 3 and 4 located above the boundary layer 2a of the layer number 2 in which the domain wall is formed. In the ferromagnetic layer 1a, the spin arrows are in an antiparallel combination in which they point outward. Next, in the state shown in (III) in which the domain wall driving current Id is passed through the layer structure, the domain wall formed in the boundary layer 2a of the layer number 2 moves to the boundary layer 2b of the layer number 5, and the layer number 3, In the antiferromagnetic layer 1a of No. 4, the spin state changes and becomes an antiparallel combination state in which the spin arrows point inward. In the antiferromagnetic layers 1b of layer numbers 6 and 7 located above the boundary layer 2b of layer number 5 in which domain walls are formed, the spin arrows are in an antiparallel combination state in which they point inward. Next, in the state shown in (IV) in which the domain wall driving current Id is supplied to the layer structure, the domain wall formed in the boundary layer 2b of the layer number 5 moves to the boundary layer 2c of the layer number 8, and the layer number 6, In the antiferromagnetic layer 1b of 7, the spin state changes and becomes an antiparallel combination state in which the spin arrows point outward.

反強磁性層1に関するシミュレーション結果を示す図5の下段を参照し、反強磁性層1を構成する各レイヤー番号について、状態(II)~状態(IV)の時間経過に沿って、磁化の比率Mz/Msの値の変化を確認する。反強磁性層1aを構成するレイヤー番号3,4については、状態(II)から状態(III)にかけてスピン状態が変化している。状態(II)から状態(III)にかけて、符号53を付したレイヤー番号3の強磁性層は値「-1」から値「1」に変化し、符号54を付したレイヤー番号4の強磁性層は値「1」から値「-1」に変化している。反強磁性層1bを構成するレイヤー番号6,7については、状態(III)から状態(IV)にかけてスピン状態が変化している。状態(III)から状態(IV)にかけて、符号56を付したレイヤー番号6の強磁性層は値「1」から値「-1」に変化し、符号57を付したレイヤー番号7の強磁性層は値「-1」から値「1」に変化している。 Referring to the lower part of FIG. 5 showing the simulation results for the antiferromagnetic layer 1, for each layer number constituting the antiferromagnetic layer 1, the magnetization ratio Check the change in the value of Mz/Ms. As for layer numbers 3 and 4 constituting the antiferromagnetic layer 1a, the spin state changes from state (II) to state (III). From state (II) to state (III), the ferromagnetic layer of layer number 3 denoted by reference numeral 53 changes from the value “−1” to the value “1”, and the ferromagnetic layer of layer number 4 denoted by reference numeral 54 changes from the value “−1” to the value “1”. has changed from value "1" to value "-1". As for layer numbers 6 and 7 constituting the antiferromagnetic layer 1b, the spin state changes from state (III) to state (IV). From state (III) to state (IV), the ferromagnetic layer of layer number 6 denoted by reference numeral 56 changes from the value "1" to the value "-1", and the ferromagnetic layer of layer number 7 denoted by reference numeral 57 changes from the value "1" to the value "-1". has changed from the value "-1" to the value "1".

これにより、磁壁駆動電流Idが層構造に流れて、境界層2に構成される磁壁が反強磁性層1を跨いで移動する度に、反強磁性層1のスピン状態が反転することが、数値シミュレーションにより確認される。
[相互作用Jexの依存性]
As a result, the domain wall driving current Id flows through the layer structure, and the spin state of the antiferromagnetic layer 1 is reversed each time the domain wall formed in the boundary layer 2 moves across the antiferromagnetic layer 1. Confirmed by numerical simulation.
[Interaction Jex Dependencies]

図6は、反強磁性層に生じている相互作用Jexと層構造の動作に要する電流密度Jcとの関連性に関する数値シミュレーションの結果を示すグラフである。第2の数値シミュレーションでは、相互作用Jexの電流密度Jc依存性をシミュレートする。数値シミュレーションの結果を図6に示す。 FIG. 6 is a graph showing the results of numerical simulations relating to the relationship between the interaction Jex occurring in the antiferromagnetic layer and the current density Jc required for the operation of the layer structure. A second numerical simulation simulates the dependence of the interaction Jex on the current density Jc. The results of numerical simulation are shown in FIG.

図6において、グラフの縦軸は、層構造の動作に要する電流密度Jc[A/m]を示し、グラフの横軸は、反強磁性層1においてスピンの向きを互いに反対方向に維持する相互作用Jex[erg/cm]の大きさを示している。本数値シミュレーションでは、横軸に示す相互作用Jexの大きさをフリーパラメータとして、縦軸に示す動作に要する電流密度Jcの大きさを計算する。なお相互作用Jexの値には、学術論文に掲載されている以下の数値範囲を参照して、図6に示す4つの値を用いる。
・Co/Pt/Gd:0~40erg/cm (IEEE Translation Journal on Magnetics in Japan, 9, 164 (1994))
・(Co/Pt)/Ir/(Co/Pt):2.6erg/cm (Appl. Phys. Lett. 110, 092406 (2017))
In FIG. 6, the vertical axis of the graph indicates the current density Jc [A/m 2 ] required for the operation of the layer structure, and the horizontal axis of the graph indicates that the spin directions are kept opposite to each other in the antiferromagnetic layer 1. It shows the magnitude of the interaction Jex [erg/cm 2 ]. In this numerical simulation, the magnitude of the current density Jc required for the operation indicated on the vertical axis is calculated using the magnitude of the interaction Jex indicated on the horizontal axis as a free parameter. For the value of the interaction Jex, the four values shown in FIG. 6 are used with reference to the following numerical ranges published in academic papers.
・Co/Pt/Gd: 0 to 40 erg/cm 2 (IEEE Translation Journal on Magnetics in Japan, 9, 164 (1994))
・(Co/Pt) 6 /Ir/(Co/Pt) 6 : 2.6 erg/cm 2 (Appl. Phys. Lett. 110, 092406 (2017))

図6に示すグラフについて考察する。図6に示す数値シミュレーションの結果から、反強磁性層1においてスピンの向きを互いに反対方向に維持する相互作用Jexが大きくなるほど、層構造の動作に要する電流密度Jcは少なくなることが示される。動作電流密度Jcが低減すると、磁壁移動に要する駆動電流や磁壁移動の制御性は改善される。
[電流密度Jcを強磁性層と比較]
Consider the graph shown in FIG. The numerical simulation results shown in FIG. 6 show that the current density Jc required for the operation of the layer structure decreases as the interaction Jex that maintains the spin directions opposite to each other in the antiferromagnetic layer 1 increases. When the operating current density Jc is reduced, the drive current required for the domain wall motion and the controllability of the domain wall motion are improved.
[Comparison of current density Jc with ferromagnetic layer]

図7は、層構造の動作に要する電流密度Jcを反強磁性層と強磁性層とで比較した数値シミュレーションの結果を示すグラフである。(A)は、記録層に反強磁性層を用いる場合における電流密度Jcの数値シミュレーションの結果である。(B)は、記録層に強磁性層を用いる場合における電流密度Jcの数値シミュレーションの結果である。 FIG. 7 is a graph showing the results of numerical simulation comparing the current density Jc required for the operation of the layer structure between the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer. (A) is the result of numerical simulation of the current density Jc when using an antiferromagnetic layer for the recording layer. (B) is the result of a numerical simulation of the current density Jc when a ferromagnetic layer is used as the recording layer.

第3の数値シミュレーションでは、強磁性相互作用Aexを基準として、層構造の動作に要する電流密度Jcを反強磁性層と強磁性層とで対比する。強磁性相互作用Aexはスピンの向きを揃えるための相互作用である。記録層に強磁性体91を用いる図10に示す磁気メモリ素子90の場合、積層された複数の強磁性体91,91間には強磁性相互作用Aexが生じている。記録層に反強磁性層1を用いる図1等に示す本発明に係る磁気メモリ素子10の場合も同様に、それぞれの反強磁性層1において、積層された複数の強磁性層11,12間には強磁性相互作用Aexが生じている。 In the third numerical simulation, the ferromagnetic interaction Aex is used as a reference to compare the current density Jc required for the operation of the layer structure between the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer. The ferromagnetic interaction Aex is an interaction for aligning the directions of spins. In the case of the magnetic memory element 90 shown in FIG. 10 using the ferromagnetic material 91 in the recording layer, a ferromagnetic interaction Aex occurs between the laminated ferromagnetic materials 91 , 91 . Similarly, in the case of the magnetic memory element 10 according to the present invention shown in FIG. has a ferromagnetic interaction Aex.

図7に示す数値シミュレーションの結果から次の2つの事項が示される。第1に、強磁性相互作用Aexが小さい領域(0<Aex<1pJ/m)では、層構造の動作に要する電流密度Jcの値は、(A)に示す記録層に反強磁性層を用いる場合の方が、(B)に示す記録層に強磁性層を用いる場合よりも、一桁(10-1)ほど小さくなる。電流密度Jcの観点からは、記録層に反強磁性層を用いることが有利である。動作電流密度Jcが低減すると、磁壁移動に要する駆動電流や磁壁移動の制御性は改善される。 The results of the numerical simulation shown in FIG. 7 show the following two matters. First, in the region where the ferromagnetic interaction Aex is small (0<Aex<1 pJ/m), the value of the current density Jc required for the operation of the layer structure is is smaller by one order of magnitude (10 −1 ) than the case where a ferromagnetic layer is used as the recording layer shown in (B). From the viewpoint of current density Jc, it is advantageous to use an antiferromagnetic layer for the recording layer. When the operating current density Jc is reduced, the drive current required for the domain wall motion and the controllability of the domain wall motion are improved.

第2に、強磁性相互作用Aexが小さいと境界層2の厚さを薄くすることが可能になる。強磁性体が複数積層して構成されるレーストラックメモリにおいて、内部に磁壁が構成される境界層の厚さは強磁性相互作用Aexの大きさに比例する。これにより、層構造の積層方向の厚さを低減することが可能となり、磁気メモリ素子をより高密度化することができる。記録層に反強磁性層を用いると磁壁層の強磁性相互作用Aexを小さくすることができるため、磁気メモリ素子の高密度化の観点からは、記録層に反強磁性層を用いることが有利である。
[磁壁層として動作可能な境界層の厚さ]
Secondly, when the ferromagnetic interaction Aex is small, the thickness of the boundary layer 2 can be made thin. In a racetrack memory constructed by laminating a plurality of ferromagnetic materials, the thickness of a boundary layer in which domain walls are formed is proportional to the magnitude of ferromagnetic interaction Aex. This makes it possible to reduce the thickness of the layer structure in the stacking direction, and to increase the density of the magnetic memory element. Since the ferromagnetic interaction Aex of the domain wall layer can be reduced by using an antiferromagnetic layer as the recording layer, it is advantageous to use the antiferromagnetic layer as the recording layer from the viewpoint of increasing the density of the magnetic memory element. is.
[Thickness of boundary layer capable of operating as domain wall layer]

図8および図9は、境界層の厚さに関する数値シミュレーションの結果を示すグラフである。第4の数値シミュレーションでは、記録層に反強磁性層を用い、強磁性相互作用Aexをフリーパラメータとして、z軸方向の磁化と飽和磁化との比率Mz/Msを計算する。数値シミュレーションの結果を図8に示す。 8 and 9 are graphs showing the results of numerical simulations regarding the thickness of the boundary layer. In the fourth numerical simulation, an antiferromagnetic layer is used as the recording layer, and the ferromagnetic interaction Aex is used as a free parameter to calculate the ratio Mz/Ms between the magnetization in the z-axis direction and the saturation magnetization. The results of numerical simulation are shown in FIG.

図8において、グラフの縦軸は磁化の比率Mz/Msを示している。磁化の比率Mz/Msの値は、図5と同様にスピンの矢印の向きに対応する。グラフの横軸はシミュレーションに用いるセルの数を示している。本数値シミュレーションでは一つのレイヤーをさらに細かい複数のセルに細分化しており、7つのセルを用いて1つのレイヤーを記述している。なお、本数値シミュレーションでは磁化固定層として機能する第1の強磁性層3を省略しているので、レイヤー番号は図8と図2とで対応しない。 In FIG. 8, the vertical axis of the graph indicates the magnetization ratio Mz/Ms. The value of the magnetization ratio Mz/Ms corresponds to the direction of the spin arrow, as in FIG. The horizontal axis of the graph indicates the number of cells used for simulation. In this numerical simulation, one layer is subdivided into a plurality of finer cells, and one layer is described using seven cells. Note that since the first ferromagnetic layer 3 functioning as a magnetization fixed layer is omitted in this numerical simulation, layer numbers do not correspond between FIG. 8 and FIG.

図8のグラフに示す層構造の或る層(図示する例ではレイヤー番号4)において、磁化の比率Mz/Msの値は値1から値0を経由して値-1に変化し、スピンの矢印が上向きから横向きを経由して下向きに変化する。図9に示すグラフは、図8に示すグラフにおいてスピンの矢印が横向きに変化するために要する境界層の厚さを、強磁性相互作用Aexの値毎にプロットしたグラフである。 In a certain layer (layer number 4 in the illustrated example) of the layer structure shown in the graph of FIG. The arrow changes from upward to sideways to downward. The graph shown in FIG. 9 is a graph in which the thickness of the boundary layer required for the spin arrow to change in the horizontal direction in the graph shown in FIG. 8 is plotted for each value of the ferromagnetic interaction Aex.

図8および図9に示す数値シミュレーションの結果から、記録層に反強磁性層1を用いる場合に磁壁層として動作可能な境界層2の厚さ(中央部)を示唆する。図8を参照して、磁化の比率Mz/Msの値が-0.75~+0.75の範囲内にあるときに、動作可能な磁壁が境界層2内に構成されるとすると、強磁性相互作用Aexの値が約0.3~0.4pJ/m以下であれば、動作可能な磁壁が境界層2内に構成される。よって、記録層に反強磁性層1を用いる場合に磁壁層として動作可能な境界層2の厚さは、図9を参照すると、好ましくは約2.0nm(ナノメートル)以下であり、より好ましくは約0.5nm以下であることが示される。 The numerical simulation results shown in FIGS. 8 and 9 suggest the thickness (central portion) of the boundary layer 2 that can operate as a domain wall layer when the antiferromagnetic layer 1 is used as the recording layer. Referring to FIG. 8, if the value of the magnetization ratio Mz/Ms is in the range of −0.75 to +0.75 and an operable domain wall is constructed in the boundary layer 2, ferromagnetic An operable domain wall is formed in the boundary layer 2 if the value of the interaction Aex is less than or equal to about 0.3-0.4 pJ/m. Therefore, when the antiferromagnetic layer 1 is used as the recording layer, the thickness of the boundary layer 2 that can operate as a domain wall layer is preferably about 2.0 nm (nanometers) or less, and more preferably, referring to FIG. is about 0.5 nm or less.

以上、本発明によると、磁壁移動に要する駆動電流や磁壁移動の制御性を改善した磁気メモリ素子の層構造および当該層構造を備える磁気メモリ素子を提供することができる。本発明に係る磁気メモリ素子10の層構造9は、記録層として反強磁性層1を備えており、境界層2の厚さは、その内部に磁壁が構成されて磁壁層として動作可能な厚さである。本発明に係る磁気メモリ素子10は、記録層として反強磁性層1を備えることにより、例えば次の2つの効果を得ることができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a layer structure of a magnetic memory element in which the drive current required for domain wall motion and the controllability of the domain wall motion are improved, and a magnetic memory element having the layer structure. The layer structure 9 of the magnetic memory element 10 according to the present invention includes an antiferromagnetic layer 1 as a recording layer, and the thickness of the boundary layer 2 is such that a domain wall is formed therein and can operate as a domain wall layer. It is. By providing the antiferromagnetic layer 1 as the recording layer, the magnetic memory element 10 according to the present invention can obtain, for example, the following two effects.

第1に、磁気メモリ素子の構成間において作用する強磁性相互作用Aexを小さくする
ことができる。強磁性相互作用Aexが小さい領域では、層構造の動作に要する電流密度Jcの値は、記録層として強磁性体91を用いる図10に示す磁気メモリ素子90の場合と比較して、一桁(10-1)ほど低減することが可能となる。これにより、磁気メモリ素子10において、磁壁移動に要する駆動電流や磁壁移動の制御性は改善される。また、磁壁層の強磁性相互作用Aexを小さくすることができると、境界層2の厚さを薄くすることが可能になる。強磁性体が複数積層して構成されるレーストラックメモリにおいて、内部に磁壁が構成される境界層の厚さは強磁性相互作用Aexの大きさに比例する。これにより、層構造の積層方向の厚さを低減することが可能となり、磁気メモリ素子をより高密度化することができる。
First, it is possible to reduce the ferromagnetic interaction Aex acting between the configurations of the magnetic memory element. In the region where the ferromagnetic interaction Aex is small, the value of the current density Jc required for the operation of the layer structure is one order of magnitude ( 10 −1 ). As a result, in the magnetic memory element 10, the controllability of the drive current required for the domain wall motion and the domain wall motion is improved. Also, if the ferromagnetic interaction Aex of the domain wall layer can be reduced, the thickness of the boundary layer 2 can be reduced. In a racetrack memory constructed by laminating a plurality of ferromagnetic materials, the thickness of a boundary layer in which domain walls are formed is proportional to the magnitude of ferromagnetic interaction Aex. This makes it possible to reduce the thickness of the layer structure in the stacking direction, and to increase the density of the magnetic memory element.

第2に、磁気メモリ素子からの漏れ磁場によるビット動作への影響を低減することができる。記録層として強磁性体91を用いる磁気メモリ素子90では、図10に示すように、強磁性体91,3,6からの漏れ磁場99が、磁気メモリ素子90自身のまたは隣接する磁気メモリ素子90のビット動作に影響を及ぼす。これに対して本発明に係る磁気メモリ素子10では、記録層として強磁性体91に代えて反強磁性層1を用いるので、漏れ磁場を低減することができ、ビット動作への影響を低減することができる。 Second, it is possible to reduce the influence of the leakage magnetic field from the magnetic memory element on the bit operation. In the magnetic memory element 90 using the ferromagnetic material 91 as a recording layer, as shown in FIG. bit behavior. On the other hand, in the magnetic memory device 10 according to the present invention, the antiferromagnetic layer 1 is used instead of the ferromagnetic material 91 as the recording layer. be able to.

[その他の形態]
以上、本発明を特定の実施形態によって説明したが、本発明は上記した実施形態に限定されるものではない。
[Other forms]
Although the present invention has been described in terms of specific embodiments, the present invention is not limited to the embodiments described above.

磁気メモリ素子10が備えるメモリセルの数は例示する5つに制限されず、磁気メモリ素子10はより多くの複数のメモリセルを備えることができる。 The number of memory cells included in the magnetic memory element 10 is not limited to the illustrated five, and the magnetic memory element 10 can include more memory cells.

上記した実施形態では、磁気メモリ素子10からのデータの読み出しは破壊読み出し方式であるが、絶縁膜5および第2の強磁性層6の配置を変更することにより、データの読み出しを非破壊読み出し方式にすることができる。例えば、層構造9の高さ方向の中央に、層構造9と同心のリング状に形成した第2の強磁性層6を配置し、層構造9の壁と第2の強磁性層6との間に、絶縁膜5を配置することができる。このような構造によると、第2の強磁性層6の下方に位置する層構造9内の反強磁性層1は、データバッファとして機能することができる。 In the above-described embodiment, data is read from the magnetic memory element 10 by a destructive read method. can be For example, the second ferromagnetic layer 6 formed in a ring shape concentric with the layer structure 9 is arranged at the center of the layer structure 9 in the height direction, and the wall of the layer structure 9 and the second ferromagnetic layer 6 are arranged. An insulating film 5 can be arranged in between. With such a structure, the antiferromagnetic layer 1 in the layer structure 9 located below the second ferromagnetic layer 6 can act as a data buffer.

上記した実施形態では、磁気メモリ素子10からデータを読み出す際に、パルス状の磁壁駆動電流Idによりメモリセル1つ分ずつデータを移動させて、メモリセルに記憶されている値を、磁気トンネル接合において1つずつ読み出しているが、磁気メモリ素子10からデータを読み出す手順はこれに限定されない。パルス状の磁壁駆動電流Idを複数流すことにより、複数のメモリセルに記憶されている複数のデータを一気に移動させて、磁壁駆動電流Idを利用して、磁気トンネル接合において複数のデータをシーケンシャルに読み出すこともできる。データの読み出しを電流により行う場合には、磁壁駆動電流Idの大きさの時間変化を利用することができ、磁壁駆動電流Idの大きさが時間変化しない場合には、磁気トンネル接合の電圧の大きさの時間変化を利用することができる。 In the above-described embodiment, when data is read from the magnetic memory element 10, the data is moved by one memory cell by the pulsed domain wall driving current Id, and the value stored in the memory cell is transferred to the magnetic tunnel junction. , the procedure for reading data from the magnetic memory element 10 is not limited to this. A plurality of pulsed domain wall drive currents Id are applied to move a plurality of data stored in a plurality of memory cells at once, and the domain wall drive currents Id are used to sequentially transfer a plurality of data in the magnetic tunnel junction. It can also be read. When data is read by current, the time change in the magnitude of the domain wall driving current Id can be utilized. It is possible to use the time change of the

上記した実施形態では、磁気メモリ素子10は絶縁膜5を備えており、TMR(トンネル磁気抵抗)効果により反強磁性層1dのスピン状態を読み出しているが、反強磁性層1dのスピン状態を読み出す方法はこれに限定されない。例えば、絶縁膜5に代えて銅などの非磁性金属の層を磁気メモリ素子に設け、GMR(巨大磁気抵抗)効果により反強磁性層1dのスピン状態を読み出してもよい。スピン状態の読み出しにGMR効果を利用することにより、比較的大きな電流を流すことが可能となる。 In the above embodiment, the magnetic memory element 10 includes the insulating film 5, and the spin state of the antiferromagnetic layer 1d is read by the TMR (tunnel magnetoresistance) effect. The reading method is not limited to this. For example, instead of the insulating film 5, a layer of nonmagnetic metal such as copper may be provided in the magnetic memory element, and the spin state of the antiferromagnetic layer 1d may be read out by the GMR (giant magnetoresistance) effect. By using the GMR effect to read out the spin state, it becomes possible to pass a relatively large current.

上記した実施形態では、磁気メモリ素子10の構造は、種々の層を垂直方向に積層した三次元の立体構造であるが、磁気メモリ素子の構造は、種々の層に相当する領域を水平方向に並べて平面上に実装した構造とすることもできる。特許請求の範囲に記載する層構造とは、種々の層を垂直方向に積層した三次元の立体構造のみを意味するのではなく、種々の領域をこのように水平方向に並べて平面上に実装した構造をも意味する。 In the above-described embodiment, the structure of the magnetic memory element 10 is a three-dimensional structure in which various layers are stacked vertically. A structure in which they are arranged side by side and mounted on a plane is also possible. The layer structure described in the claims does not mean only a three-dimensional structure in which various layers are stacked vertically, but various regions are horizontally arranged in this way and mounted on a plane. Also means structure.

1(1a~1d) 反強磁性層
2 境界層
3 第1の強磁性層
4 第1の電極
5 絶縁膜
6 第2の強磁性層
7 第2の電極
9 層構造
10 磁気メモリ素子
11 強磁性層
12 強磁性層
20 磁気メモリ装置
21~23 端子
24 電流源
25 センサ
26 メモリコントローラ
27 データバス
28(28a,28b) スイッチ
41 スピン軌道トルク層
42(42a,42b) 底部電極
90 磁気メモリ素子
91 強磁性体
99 漏れ磁場
Id 磁壁駆動電流
Iw 書込電流
1 (1a to 1d) antiferromagnetic layer 2 boundary layer 3 first ferromagnetic layer 4 first electrode 5 insulating film 6 second ferromagnetic layer 7 second electrode 9 layer structure 10 magnetic memory element 11 ferromagnetism layer 12 ferromagnetic layer 20 magnetic memory device 21-23 terminal 24 current source 25 sensor 26 memory controller 27 data bus 28 (28a, 28b) switch 41 spin orbit torque layer 42 (42a, 42b) bottom electrode 90 magnetic memory element 91 strong Magnetic body 99 Leakage magnetic field Id Domain wall drive current Iw Write current

Claims (8)

複数の反強磁性層と、
複数の前記反強磁性層間に配置されて磁壁を構成する境界層と、
を備え、
前記境界層の厚さは2.0ナノメートル以下である、磁気メモリ素子の層構造。
a plurality of antiferromagnetic layers;
a boundary layer disposed between the plurality of antiferromagnetic layers and forming a domain wall;
with
A layered structure of a magnetic memory element, wherein the boundary layer has a thickness of 2.0 nanometers or less.
前記反強磁性層は、積層された複数の強磁性層を備えている、請求項1に記載の層構造。 2. The layer structure of claim 1, wherein the antiferromagnetic layer comprises a plurality of ferromagnetic layers stacked. 前記反強磁性層は、複数の前記強磁性層間に非磁性層をさらに備えている、請求項2に記載の層構造。 3. The layer structure of claim 2, wherein said antiferromagnetic layer further comprises a non-magnetic layer between said plurality of ferromagnetic layers. 前記境界層の厚さは0.5ナノメートル以下である、請求項1から3のいずれか一項に記載の層構造。 4. A layered structure according to any one of claims 1 to 3, wherein the boundary layer has a thickness of 0.5 nanometers or less. 請求項1から4のいずれか一項に記載の層構造と、
一方の前記反強磁性層の側に、前記境界層を挟んで配置される、スピン状態が切り替え可能な第1の強磁性層と、
前記第1の強磁性層に隣接して配置され、スピン軌道トルクにより前記第1の強磁性層の前記スピン状態を切り替えるための第1の電極と、
前記一方から最も離れた他方の前記反強磁性層の側に配置される第2の電極と、
を備える、磁気メモリ素子。
A layered structure according to any one of claims 1 to 4;
a first ferromagnetic layer capable of switching a spin state, disposed on one side of the antiferromagnetic layer with the boundary layer interposed therebetween;
a first electrode positioned adjacent to the first ferromagnetic layer for switching the spin state of the first ferromagnetic layer by spin-orbit torque;
a second electrode disposed on the side of the other antiferromagnetic layer farthest from the one;
A magnetic memory element.
前記一方から最も離れた他方の前記反強磁性層と前記第2の電極との間に配置される絶縁膜と、
前記絶縁膜と前記第2の電極との間に配置される、スピン状態が固定された第2の強磁性層と、
をさらに備え、
前記第2の電極を介して、前記他方の前記反強磁性層の前記スピン状態が読み出される、請求項5に記載の磁気メモリ素子。
an insulating film disposed between the other antiferromagnetic layer farthest from the one and the second electrode;
a second ferromagnetic layer having a fixed spin state disposed between the insulating film and the second electrode;
further comprising
6. The magnetic memory element according to claim 5, wherein said spin state of said other antiferromagnetic layer is read through said second electrode.
請求項6に記載の磁気メモリ素子と、
前記第1の電極内におよび前記第2の電極から前記第1の電極に電流を流す電流源と、
前記磁気メモリ素子に記憶されている、スピン状態で表されるデータを読み取るセンサと、
を備える、磁気メモリ装置。
a magnetic memory device according to claim 6;
a current source that directs current into and from the first electrode and from the second electrode;
a sensor that reads data represented by a spin state stored in the magnetic memory element;
a magnetic memory device.
請求項5または6に記載の磁気メモリ素子へスピン状態で表されるデータを記憶する方法であって、
前記第1の電極内に電流を流して、スピン軌道トルクにより前記第1の強磁性層のスピン状態を設定する工程と、
前記第2の電極と前記第1の電極との間に電流を流して、スピントランスファートルクにより前記第1の強磁性層の前記スピン状態を一方の前記反強磁性層へ移行させる工程と、
を含む、磁気メモリ素子へデータを記憶する方法。
A method for storing data represented by a spin state in the magnetic memory element according to claim 5 or 6,
setting the spin state of the first ferromagnetic layer by a spin-orbit torque by passing a current through the first electrode;
applying a current between the second electrode and the first electrode to transfer the spin state of the first ferromagnetic layer to one of the antiferromagnetic layers by spin transfer torque;
A method of storing data in a magnetic memory element, comprising:
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