JP2023094193A - Layer structure of magnetic memory element, magnetic memory element, magnetic memory device, and method for storing data to magnetic memory element - Google Patents
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Abstract
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,
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
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
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
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)
(Section 3)
(Section 4)
4. Layered structure according to any one of
(Section 5)
A layer structure according to any one of
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
(Section 7)
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
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.
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
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
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
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)6/Ir/(Co/Pt)6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)6/Ir/(Co/Pt)6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)6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
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
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
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
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
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
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
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
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
[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
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
・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
・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
・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
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
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
・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
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
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
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
[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
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
[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=8×105[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=1×106[J/m3]、Ms=8×105[A/m]、Jex=-3.0[erg/cm2]
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=1×107[J/m3]、Ms=8×105[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
・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
・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
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
[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
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
・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
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
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
・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
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
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
[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/m2]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/cm2]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/cm2 (IEEE Translation Journal on Magnetics in Japan, 9, 164 (1994))
・(Co/Pt)6/Ir/(Co/Pt)6:2.6erg/cm2 (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
・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
[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
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
[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
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 (
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
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
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
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
[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
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
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
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
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
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)
Claims (8)
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.
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.
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.
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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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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