JP3813920B2

JP3813920B2 - Magnetic device and magnetic memory

Info

Publication number: JP3813920B2
Application number: JP2002329714A
Authority: JP
Inventors: 正甲斐; 達也岸; 好昭斉藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-11-13
Filing date: 2002-11-13
Publication date: 2006-08-23
Anticipated expiration: 2022-11-13
Also published as: JP2004165442A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気抵抗効果素子を備えた磁気デバイス及び磁気メモリに関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気抵抗効果素子は、例えば、一対の強磁性層を非磁性層を介して積層した構造を有している。この磁気抵抗効果素子の抵抗値は、一方の強磁性層の磁化に対する他方の強磁性層の磁化の相対的な向きに応じて変化する。このような磁気抵抗効果を示す磁気抵抗効果素子は様々な用途への応用が可能であり、磁気ランダムアクセスメモリ（以下、ＭＲＡＭという）は磁気抵抗効果素子の主要な用途の１つである。
【０００３】
ＭＲＡＭでは、磁気抵抗効果素子などでメモリセルを構成するとともに、一方の強磁性層を磁場印加の際にその磁化の向きが変化しないピン層とし、他方の強磁性層を上記磁場印加の際にその磁化の向きが変化し得るフリー層として情報の記憶を行う。すなわち、情報を書き込む際には、ワード線に電流パルスを流すことにより発生する磁場とビット線に電流パルスを流すことにより発生する磁場との合成磁場を作用させる。これにより、フリー層の磁化を例えばピン層の磁化に対して平行な状態と反平行な状態との間で変化させる。このようにして、それら２つの状態に対応して二進情報（“０”、“１”）がメモリセルに記憶される。
【０００４】
また、書き込んだ情報を読み出す際には、磁気抵抗効果素子に電流を流す。磁気抵抗効果素子の抵抗値は上記の２つの状態間で互いに異なるため、流れた電流（或いは抵抗値）を検出することによりメモリセルに記憶された情報を読み出すことができる。
【０００５】
ところで、ＭＲＡＭを高集積化するうえでは磁気抵抗効果素子の小面積化が極めて有効であるが、一般に、フリー層を小面積化すると、その保磁力が大きくなる。そのため、磁気抵抗効果素子の小面積化に応じ、フリー層の磁化をピン層の磁化に対して平行な状態と反平行な状態との間で変化させるのに必要な磁場（スイッチング磁場）の強さを高めなければならない。
【０００６】
スイッチング磁場は、例えば、書き込みの際により大きな電流を書き込み配線に流すことにより強めることができる。しかしながら、この場合、消費電力が増大するのに加え、配線寿命が短くなる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、磁気抵抗効果素子のフリー層の磁化を反転させるのに使用する配線への負担が少なく且つフリー層の磁化を反転させるのに要する消費電力を低減可能な磁気デバイス及び磁気メモリを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の側面によると、強磁性を示すとともに磁場の印加により磁化の向きが変化し得るフリー層と、前記フリー層に対向し且つ強磁性を示すとともに前記磁場の印加前後で磁化の向きが維持されるピン層と、前記フリー層と前記ピン層との間に介在した非磁性層とを備えた磁気抵抗効果素子と、前記フリー層の磁化の向きをその主面に平行な面内で変化させる場合、電流を流すことにより前記フリー層の前記主面に垂直な垂直磁場成分を前記フリー層の位置に発生して前記フリー層の磁化の向きを前記主面に平行な方向から前記主面に垂直な方向へ向けて傾ける垂直磁場発生用配線とを具備したことを特徴とする磁気デバイスが提供される。
【０００９】
本発明の第２の側面によると、強磁性を示すとともに磁場の印加により磁化の向きが変化し得るフリー層と、前記フリー層に対向し且つ強磁性を示すとともに前記磁場の印加前後で磁化の向きが維持されるピン層と、前記フリー層と前記ピン層との間に介在した非磁性層とを備えた磁気抵抗効果素子と、前記フリー層の側面に対向し且つ前記フリー層の一方の主面に対して平行または斜めに延在した垂直磁場発生用配線とを具備したことを特徴とする磁気デバイスが提供される。
【００１０】
本発明の第３の側面によると、強磁性を示すとともに磁場の印加により磁化の向きが変化し得るフリー層と、前記フリー層に対向し且つ強磁性を示すとともに前記磁場の印加前後で磁化の向きが維持されるピン層と、前記フリー層と前記ピン層との間に介在した非磁性層とを備えた磁気抵抗効果素子と、前記フリー層の一方の主面と交差する直線の周囲にコイル状に設けられた垂直磁場発生用配線とを具備したことを特徴とする磁気デバイスが提供される。
【００１１】
本発明の第４の側面によると、第１乃至第３の側面の何れかに係る磁気デバイスと、前記磁気抵抗効果素子に対向したワード線と、前記磁気抵抗効果素子に対向し且つ前記ワード線と交差したビット線とを具備したことを特徴とする磁気メモリが提供される。
【００１２】
本発明の第５の側面によると、強磁性を示すとともに磁場の印加により磁化の向きが変化し得るフリー層と、前記フリー層に対向し且つ強磁性を示すとともに前記磁場の印加前後で磁化の向きが維持されるピン層と、前記フリー層と前記ピン層との間に介在した非磁性層とを備えた磁気抵抗効果素子を含むメモリセルと、前記磁気抵抗効果素子に対向したワード線と、前記磁気抵抗効果素子に対向し且つ前記ワード線と交差したビット線と、前記フリー層の一方の主面に対して平行または斜めに延在した垂直磁場発生用配線とを具備し、前記メモリセルへの情報の書き込みにおいて、前記ワード線と前記ビット線と前記垂直磁場発生用配線とに電流を流すことにより発生する合成磁場が前記磁場として作用するように構成されたことを特徴とする磁気メモリが提供される。
【００１３】
第１乃至第５の側面において、垂直磁場発生用配線は、それに電流を流すことにより、フリー層の一方の主面に垂直な垂直磁場成分のみを発生してもよく、或いは、フリー層の一方の主面に垂直な垂直磁場成分とその主面に平行な平行磁場成分との双方を発生してもよい。なお、ここで、「垂直磁場成分」は、フリー層の位置で平均した場合にその強さがゼロでなければ、フリー層の全体にわたって向きや強さが均一である必要はない。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、各図において、同様または類似する機能を有する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１５】
図１は、本発明の第１の実施形態に係るＭＲＡＭを概略的に示す斜視図である。図１に示すＭＲＡＭ１は、磁気抵抗効果素子２、垂直磁場発生用配線であるコイル３、書き込み用のワード線４、及び書き込み用のビット線５を備えている。ワード線４とビット線５とは、所定の間隙を隔てて互いに略直交するように交差している。磁気抵抗効果素子２はワード線４とビット線５との間に位置しており、コイル３は磁気抵抗効果素子２の上方の空間を取り囲むように配置されている。なお、磁気抵抗効果素子２は、フリー層１１、ピン層１２、非磁性層１３、及び反強磁性層１４を備えている。また、磁気抵抗効果素子２とコイル３とは磁気デバイスを構成している。
【００１６】
図２は、図１のＭＲＡＭ１でコイル３に電流を流した場合にフリー層１１で生じ得る磁化の向きの変化を概略的に示す斜視図である。
フリー層１１に図中上向きの垂直磁場を印加すると、図２に示すように、その主面に平行な方向（面内方向）に向いた磁化５１（図中右向き）は、歳差運動しながら、フリー層１１の主面に垂直な方向（面直方向）に向こうとする。すなわち、フリー層１１に図中上向きの垂直磁場を印加してから面内方向に向いた磁化５１が面直方向に向くまでの間、磁化５１は面直方向に平行な軸を回転軸としたトルクを受ける。このトルクの向きは垂直磁場の向きに応じて変化させることができるので、以下に説明するように情報の書き込みに利用可能である。
【００１７】
図３（ａ）乃至（ｃ）は、図１のＭＲＡＭ１に情報を書き込む際にフリー層１１で生じ得る磁化の向きの変化を概略的に示す平面図である。
図３（ａ）と図３（ｃ）とではフリー層１１の磁化５１が逆向きとなっている。例えば、図３（ａ）に示す状態は情報“０”に対応し、図３（ｃ）に示す状態は情報“１”に対応している。
【００１８】
本実施形態では、図３（ａ）に示す状態から図３（ｃ）に示す状態へと磁化５１を変化させるに当り、例えば、まず、コイル３に電流を流し、図３（ｂ）に参照番号５２で示すように、ワード線４側からビット線５側へと向いた垂直磁場をフリー層１１の位置に発生させる。こうすると、磁化５１は、先に図２を参照して説明したように面内方向から面直方向に傾くとともに、矢印５５で示す向きのトルクによって、図中、反時計回りに回転を始める。なお、コイル３に流す電流の大きさやコイル３に電流を流している時間は、上記トルクによる磁化５１の回転角の最大値が９０°未満となるように設定する。
【００１９】
磁化５１が上記トルクによる回転を開始するのと同時に、或いは、回転を開始した後であり且つコイル３への通電を停止するよりも前の時点で、ワード線４に矢印５３で示す向きの電流を流すとともに、ビット線５に矢印５４で示す向きの電流を流す。これにより、矢印５６，５７で示す向きの磁場を発生させ、磁化５１を反時計回りにさらに回転させる。ここで、ワード線４及びビット線５に流す電流の大きさは、図３（ａ）に示す状態に対し、磁化５１の反時計回りへの回転角が９０°を超えるように設定する。
【００２０】
その後、コイル３への通電を停止し、それと同時にワード線４及びビット線５への通電を停止するか、或いは、コイル３への通電停止後にワード線４及びビット線５への通電を停止する。フリー層１１には図中縦方向に一軸磁気異方性が付与されているので、それら配線への通電を停止することにより、磁化５１は図３（ｃ）に示すように図中上向きとなる。
【００２１】
以上のようにして、情報“１”を書き込むことができる。なお、コイル３に流す電流の向き及びビット線５に流す電流の向きを逆にすること以外は先に説明したのと同様の方法により、情報“０”を書き込むことができる。
【００２２】
この方法では、上記の通り、平行磁場と垂直磁場とを利用して磁化５１を回転させる。垂直磁場による磁化５１の回転は、平行磁場による磁化５１の回転に比べ、極めて速く進行する。そのため、この方法を採用すると、書き込みに要する時間を短縮することができる。
【００２３】
また、この方法では、平行磁場だけでなく垂直磁場も利用するため、コイル３，ワード線４，ビット線５のそれぞれに大きな電流を流す必要はない。しかも、上述のように、短時間で書き込みが可能であるので、それら配線に電流を流す期間も短くてよい。したがって、上記の方法を採用すると、フリー層１１の磁化５１を反転させるのに使用する配線への負担を低減するとともに、磁化５１を反転させるのに要する消費電力を低減することが可能となる。
【００２４】
本実施形態において、コイル３は様々な形態を有し得る。
図４（ａ）は、図１に示すＭＲＡＭ１の具体的な構造の一例を概略的に示す平面図である。また、図４（ｂ）は、図１に示すＭＲＡＭ１の具体的な構造の他の例を概略的に示す斜視図である。
【００２５】
図４（ａ）に示すＭＲＡＭ１では、各メモリセルは、１つの磁気抵抗効果素子２と１つのコイル３とを含んでいる。このような構造を採用すると、コイル３を磁気抵抗効果素子２に近接して配置することができるので、消費電力を低減するうえで有利である。なお、この構造を採用する場合、通常、製造プロセスを簡略化するために、コイル３の巻き数は１回未満とする。
【００２６】
各メモリセルが１つの磁気抵抗効果素子２と１つのコイル３とを含む場合、コイル３とフリー層１１とは同一面内に位置していなくてもよいが、消費電力の観点では、コイル３とフリー層１１とは同一面内に位置していることが有利である。また、コイル３とワード線４またはビット線５とを同一面内に配置した場合、それらを同時に形成することができる。
【００２７】
図４（ｂ）に示すＭＲＡＭ１は、半導体チップ１０とコイル３とを備えている。半導体チップ１０には、それぞれ磁気抵抗効果素子２を含み且つアレイ状に配列した多数のメモリセル、縦方向に配列した複数本のワード線４、及び横方向に配列した複数本のビット線５などが形成されている。
【００２８】
このような構造を採用すると、ＭＲＡＭ１の製造プロセスを大幅に簡略化することができる。また、この構造を採用した場合、コイル３の巻き数を１回以上とすることも容易である。なお、半導体チップ１０が並列アクセスが可能な複数の領域（各領域は複数のメモリセルを備えている）を含んでいる場合には、各領域毎にコイル３を設ける。
【００２９】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図５（ａ），（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係るＭＲＡＭを概略的に示す斜視図である。図５（ａ），（ｂ）に示すＭＲＡＭ１は、垂直磁場発生用配線としてコイルの代わりに配線を設けたこと以外は図１に示すＭＲＡＭ１とほぼ同様の構造を有している。なお、これらＭＲＡＭ１において、磁気抵抗効果素子２は、フリー層１１、ピン層１２ａ，１２ｂ、非磁性層１３ａ，１３ｂ、及び反強磁性層１４ａ，１４ｂを備えている。また、磁気抵抗効果素子２と配線３とは磁気デバイスを構成している。
【００３０】
図５（ａ），（ｂ）に示すように、本実施形態では、ワード線４は磁気抵抗効果素子２の底面に対して正面に配置し、ビット線５は磁気抵抗効果素子２の上面に対して正面に配置する。これに対し、配線３は、例えば図５（ａ）に示すように磁気抵抗効果素子２の底面に対して正面からずれた位置に配置するか、或いは、図５（ｂ）に示すようにフリー層１１の側面に対して正面に配置する。このような構造を採用すると、配線３、ワード線４及びビット線５に電流を流すことにより、配線３はフリー層１１の位置に主として垂直磁場を発生し、ワード線４及びビット線５はフリー層１１の位置に平行磁場を発生する。そのため、図３（ａ）乃至（ｃ）を参照して説明したのと同様の方法により書き込みを行うことができる。したがって、本実施形態によると、第１の実施形態で説明したのと同様の効果を得ることができる。
【００３１】
本実施形態において、配線３の長手方向は、フリー層１１の主面に垂直でなければ特に制限はないが、フリー層１１の主面にほぼ平行であることが望ましい。この場合、配線３に電流を流すことによりフリー層１１の位置に発生する磁場を、主として垂直磁場とすることができる。
【００３２】
配線３の長手方向をフリー層１１の主面にほぼ平行とする場合、配線３は、例えば、ワード線４に対して略平行に配置してもよい。或いは、配線３は、ビット線５に対して略平行に配置してもよい。
【００３３】
本実施形態において、配線３とワード線４またはビット線５とは、図５（ａ）に示すように、同一面内に配置することができる。この構造は、製造プロセスを簡略化するうえで有利である。また、図５（ｂ）に示すように、配線３とフリー層１１とを同一面内に配置してもよい。この構造は、配線３をフリー層１１に近接して配置できるのに加え、配線３がフリー層１１の位置に発生する磁場をほぼ垂直磁場のみとすることができるため、消費電力などの観点で有利である。
【００３４】
なお、配線３とフリー層１１とを同一面内に配置しない場合、配線３に電流を流すことによりフリー層１１の位置に発生する磁場は、垂直磁場成分だけでなく平行磁場成分も含むこととなる。この平行磁場成分は、情報“０”を書き込む場合と情報“１”を書き込む場合とで逆向きとなる。そのため、配線３とワード線４とを略平行に配置すると、情報“０”を書き込む場合と情報“１”を書き込む場合とで、上記の平行磁場成分とワード線４が発生する平行磁場との干渉の度合が異なることとなる。
【００３５】
これに対し、配線３とビット線５とを略平行に配置すれば、配線３が発生する平行磁場成分とビット線５が発生する平行磁場との干渉の度合が情報“０”を書き込む場合と情報“１”を書き込む場合とで異なることはない。また、フリー層１１に対する配線３の相対位置を適宜設定すれば、配線３が発生する平行磁場成分とビット線５が発生する平行磁場とを常に同じ向きとすることができる。
【００３６】
本実施形態において、配線３とワード線４とを略平行とする場合、それらはビット線５の長手方向に交互に配列してもよい。或いは、配線３及びワード線４は、（ワード線４／配線３／ワード線４）を繰り返し単位としてビット線５の長手方向に配列してもよい。後者の配列では、配線３を挟んでビット線５の長手方向に隣り合う一対の磁気抵抗効果素子２でその配線３を共用する。そのため、ＭＲＡＭ１を高集積化するうえで有利である。
【００３７】
第１及び第２の実施形態において、磁気抵抗効果素子２は図１に示す構造を有していてもよく、或いは、図５（ａ），（ｂ）に示す構造を有していてもよい。なお、磁気抵抗効果素子２の詳細な構造などについては後で説明する。
【００３８】
第１及び第２の実施形態に係るＭＲＡＭ１には、様々な構造を採用することができる。
図６（ａ）は、第１及び第２の実施形態に係るＭＲＡＭ１に採用可能な構造の一例を概略的に示す斜視図である。また、図６（ｂ）は、第１及び第２の実施形態に係るＭＲＡＭ１に採用可能な構造の他の例を概略的に示す斜視図である。なお、図６（ａ），（ｂ）は、垂直磁場発生用配線３を省略して描いている。
【００３９】
図６（ａ）に示すＭＲＡＭ１では、書き込み用のワード線４と略平行に読み出し用のワード線６を設けている。読み出し用のワード線６にはトランジスタ７のゲートが接続されており、トランジスタ７のソース及びドレインの一方は下部電極１６を介して反強磁性層１４に電気的に接続されている。また、ビット線５は、フリー層１１と電気的に接続されており、読み出し及び書き込みの双方に利用可能である。なお、このＭＲＡＭ１では、それぞれのメモリセルは、磁気抵抗効果素子２とトランジスタ７とを含んでいる。
【００４０】
図６（ｂ）に示すＭＲＡＭ１では、ワード線４とビット線５との間で、ダイオード８と磁気抵抗効果素子２とを直列接続している。このＭＲＡＭ１では、ワード線４及びビット線５は読み出し及び書き込みの双方に利用可能である。なお、このＭＲＡＭ１では、それぞれのメモリセルは、磁気抵抗効果素子２とダイオード８とを含んでいる。
【００４１】
図６（ａ），（ｂ）に示すＭＲＡＭ１に垂直磁場発生用配線３を設けると、第１及び第２の実施形態で説明した効果を得ることができる。また、図６（ａ），（ｂ）に示すＭＲＡＭ１では、それぞれのメモリセルは磁気抵抗効果素子２に加えてトランジスタ７やダイオード８などのスイッチング素子を含んでいるため、非破壊読み出しが可能である。
【００４２】
次に、第１及び第２の実施形態に係るＭＲＡＭ１の各構成要素について説明する。
フリー層１１には、先に説明したように、一軸磁気異方性が付与されている。フリー層１１は、単層構造を有していてもよく、或いは、多層構造を有していてもよい。すなわち、フリー層１１は、単一の強磁性層であってもよい。或いは、例えば強磁性層／非磁性層／強磁性層で表される三層構造や強磁性層／非磁性層／強磁性層／非磁性層／強磁性層で表される五層構造のように、複数の強磁性層の隣り合う２つの間に非磁性層を介在させた多層構造を有していてもよい。フリー層１１に多層構造を採用する場合、それら強磁性層間で、組成は同一であってもよく、或いは、互いに異なっていてもよい。
【００４３】
フリー層１１の強磁性層に使用可能な材料としては、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、それらの合金、及び、ＮｉＭｎＳｂ系、ＰｔＭｎＳｂ系、Ｃｏ₂ＭｎＧｅ系などのホイスラー合金等を挙げることができる。また、フリー層１１の非磁性層に使用可能な材料としては、例えば、Ｃｕ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、及びＡｇなどを挙げることができる。
【００４４】
フリー層１１の強磁性層の膜厚は、超常磁性にならない程度に厚い必要があり、０．１ｎｍ以上であることが好ましく、１ｎｍ以上であることがより好ましい。また、フリー層１１の強磁性層の膜厚が過剰に厚いと、大きなスイッチング磁場が必要となる。したがって、フリー層１２の強磁性層の膜厚は、１００ｎｍ以下であることが好ましく、１０ｎｍ以下であることがより好ましい。
【００４５】
ピン層１２，１２ａ，１２ｂには、一方向磁気異方性が付与されている。ピン層１２，１２ａ，１２ｂは、単層構造を有していてもよく、或いは、多層構造を有していてもよい。すなわち、ピン層１２，１２ａ，１２ｂは、単一の強磁性層であってもよい。或いは、例えば強磁性層／非磁性層／強磁性層で表される三層構造や強磁性層／非磁性層／強磁性層／非磁性層／強磁性層で表される五層構造のように、複数の強磁性層の隣り合う２つの間に非磁性層を介在させた多層構造を有していてもよい。ピン層１２，１２ａ，１２ｂに多層構造を採用する場合、それら強磁性層間で、組成や膜厚は同一であってもよく、或いは、互いに異なっていてもよい。ピン層１２，１２ａ，１２ｂの強磁性層及び非磁性層の材料としては、例えば、フリー層１１の強磁性層及び非磁性層に関して例示した材料などをそれぞれ使用することができる。
【００４６】
非磁性層１３，１３ａ，１３ｂの材料としては、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＭｇＯ、ＡｌＮ、ＡｌＯＮ、ＧａＯ、Ｂｉ₂Ｏ₃、ＳｒＴｉＯ₂、及びＡｌＬａＯ₃などの誘電体或いは絶縁体を使用することができる。この場合、磁気抵抗効果素子２を、ＭＴＪ素子とすることができる。磁気抵抗効果素子２がＭＴＪ素子である場合、非磁性層（トンネルバリア層）１３，１３ａ，１３ｂの膜厚は、例えば、０．５ｎｍ乃至３ｎｍ程度とする。
【００４７】
また、非磁性層１３，１３ａ，１３ｂの材料としては、例えば、Ｃｕ、Ａｇ、及びＡｕなどの導電材料も使用することができる。この場合、磁気抵抗効果素子２を、界面におけるスピン依存散乱を用いた巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）素子とすることができる。
【００４８】
なお、上記の磁気抵抗効果素子２がＭＴＪ素子である場合、フリー層１１とピン層１２，１２ａ，１２ｂとの間に流れるトンネル電流の値は、フリー層１１の磁化とピン層１２，１２ａ，１２ｂの磁化とが為す角度の余弦に比例する。それらの磁化が逆向きの状態でトンネル抵抗値は最大となり、それらの磁化が同じ向きである状態でトンネル抵抗値は最小となる。
【００４９】
また、上記の磁気抵抗効果素子２がＧＭＲ素子である場合、その抵抗値は、フリー層１１の磁化とピン層１２，１２ａ，１２ｂの磁化とが為す角度の余弦に比例する。それらの磁化が逆向きの状態で抵抗値は最大となり、それらの磁化が同じ向きである状態で抵抗値は最小となる。
【００５０】
磁気抵抗効果素子２は、ピン層１２，１２ａ，１２ｂ上に反強磁性層１４，１４ａ，１４ｂを備えていてもよく、或いは、備えていなくてもよい。反強磁性層１４，１４ａ，１４ｂを設けた場合、ピン層１２，１２ａ，１２ｂと反強磁性層１４，１４ａ，１４ｂとの間の交換結合により、ピン層１２，１２ａ，１２ｂの磁化をより強固に固着させることができる。反強磁性層１４，１４ａ，１４ｂの材料としては、例えば、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｃｒ−Ｍｎ、Ｎｉ−Ｍｎ、及びＩｒ−Ｍｎなどの合金やＮｉＯなどを使用することができる。また、ピン層１２，１２ａ，１２ｂ上に反強磁性層１４，１４ａ，１４ｂを設ける代わりに、硬質磁性層を設けてもよい。この場合、硬質磁性層からの漏れ磁界により、ピン層１２，１２ａ，１２ｂの磁化をより強固に固着させることができる。
【００５１】
磁気抵抗効果素子２がフリー層１１、非磁性層１３、及びピン層１２を備えている場合、フリー層１１を下地側に配置してもよく、或いは、ピン層１２を下地側に配置してもよい。
【００５２】
磁気抵抗効果素子２は、下部電極１６や図示しない保護膜などをさらに備えていてもよい。下部電極１６や保護層としては、例えば、Ｔａ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、及びＡｕなどを含有した層や、Ｔｉ／Ｐｔ、Ｔａ／Ｐｔ、Ｔｉ／Ｐｄ、Ｔａ／Ｐｄ、及びＴａ／Ｒｕなどで表される積層膜を使用することができる。また、磁気抵抗効果素子２は、フリー層１１やピン層１２，１２ａ，１２ｂなどを構成する各層の結晶配向性を高めるための下地層をさらに備えていてもよい。下地層の材料としては、例えば、ＮｉＦｅなどの周知の材料を挙げることができる。
【００５３】
磁気抵抗効果素子２は、例えば、基板の一主面に設けられた下地層上に各種薄膜を順次成膜することにより得られる。これら、薄膜は、各種スパッタリング法、蒸着法、及び分子線エピタキシャル法などの気相堆積法や、気相堆積と酸化や窒化などとを組み合わせた方法を用いて形成することができる。また、基板の材料としては、例えば、Ｓｉ、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、スピネル、及びＡｌＮなどを挙げることができる。
【００５４】
垂直磁場発生用配線３、ワード線４，６、及びビット線５の材料としては、例えば、Ｃｕなどの金属や合金を使用することができる。
【００５５】
以上、磁気抵抗効果素子２と垂直磁場発生用配線３とを備えた磁気デバイスをＭＲＡＭで利用することについて説明したが、この磁気デバイスは、磁気ヘッドやそれを搭載した磁気再生装置或いは磁気記録再生装置並びに磁気センサなどにも利用可能である。
【００５６】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
本例では、まず、図１に示す磁気抵抗効果素子２を以下の方法により作製した。なお、本例では、磁気抵抗効果素子２をＭＴＪ素子とした。
【００５７】
すなわち、マグネトロンスパッタリング装置を用いて、図示しない熱酸化Ｓｉ基板上に、厚さ１０ｎｍのＴａ層と厚さ１０ｎｍのＮｉＦｅ層とを積層してなる下地層（図示せず）、ＩｒＭｎからなる厚さ１２ｎｍの反強磁性層１４、Ｃｏ₉Ｆｅからなる厚さ２ｎｍのピン層１２、Ａｌ₂Ｏ₃からなる厚さ１．５ｎｍのトンネルバリア層１３、及びＣｏ₉Ｆｅからなる厚さ３ｎｍのフリー層１１を順次積層した。
【００５８】
具体的には、これら薄膜は、膜面方向に１００Ｏｅの磁場を印加しながら、真空破壊することなく連続的に形成した。トンネルバリア層１３は、Ａｌ層を成膜した後、これをプラズマ酸化することにより形成した。下地層、反強磁性層１４、及びピン層１２は、幅１００μｍの帯状（下部配線形状）の開口を有するマスクを用いたスパッタリングにより形成した。Ａｌ層は、矩形状（接合部形状）の開口を有するマスクを用いたスパッタリングにより形成した。フリー層１１は、幅１００μｍの帯状（下部配線に直交する上部配線形状）の開口を有するマスクを用いたスパッタリングにより形成した。なお、マスクの交換は真空チャンバ内で行った。以上のようにして、接合面積が１００μｍ×１００μｍのＭＴＪ素子２を作製した。
【００５９】
次に、図１に示すように、別途作製した直径１ｍｍのコイル３をＭＴＪ素子２の上方に配置した。すなわち、ＭＴＪ素子２とコイル３とで構成される磁気デバイスを作製した。その後、コイル３に電流を流してフリー層１１の位置に約２５Ｏｅの垂直磁場を発生させ、この垂直磁場の存在下でＭＴＪ素子２の磁気抵抗特性について４端子法を用いて調べた。また、コイル３に電流を流さなかったこと以外は同様の方法によりＭＴＪ素子２の磁気抵抗特性について調べた。
【００６０】
図７は、本発明の実施例１に係る磁気デバイスについて得られた磁気抵抗特性を示すグラフである。図中、横軸はフリー層１１に印加した平行磁場の強さを示し、縦軸はＭＴＪ素子２の膜厚方向の抵抗値を示している。また、実線１０１はコイル３を用いてＭＴＪ素子２に垂直磁場を作用させた場合に得られたデータを示し、破線１０２はＭＴＪ素子２に垂直磁場を作用させないで得られたデータを示している。
【００６１】
図７に示すように、垂直磁場を生じさせなかった場合、約２５Ｏｅ以上の平行磁場でフリー層１１の磁化を反転させることができ、磁気抵抗変化率（以下、ＭＲ比という）は３８％であった。これに対し、垂直磁場を生じさせた場合、約１０Ｏｅ以上の平行磁場でフリー層１１の磁化を反転させることができ、ＭＲ比は３６％であった。すなわち、ＭＲ比に殆ど影響を与えることなく、フリー層１１の磁化を反転させるのに必要な平行磁場の大きさを大幅に減少させることができた。
【００６２】
（実施例２）
本例では、所定形状の薄膜を形成するに際し、マスクを介したスパッタリングを行う代わりに、マスクを用いずにスパッタリングを行い、それにより得られた薄膜をフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とを用いてパターニングしたこと以外は実施例１で説明したのと同様の方法によりＭＴＪ素子２を作製した。なお、ここでは、接合面積は１μｍ×２μｍとした。
【００６３】
次に、図４に示すようなコイル３を形成した。但し、ここでは、コイル３は、ＭＴＪ素子２の上方に絶縁膜を介して導体膜を成膜し、これをフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とを用いてパターニングすることにより形成した。
【００６４】
その後、実施例１と同様の方法により、垂直磁場を発生させずに、上記ＭＴＪ素子２の磁気抵抗特性について調べた。その結果、垂直磁場を発生させない場合、約３５Ｏｅ以上の平行磁場でフリー層１１の磁化を反転させることができた。また、ＭＲ比は３８％であった。
【００６５】
次に、以下に説明する方法により、フリー層１１に対して垂直磁場及び平行磁場を印加して先と同様の測定を行った。
図８は、本発明の実施例２に係るＭＴＪ素子２への印加磁場に関するタイミングチャートである。横軸はコイル３への通電を開始してからの経過時間を示し、縦軸はフリー層１１の位置における磁場の強さを示している。また、実線１０３は垂直磁場に関するデータを示し、破線１０４は平行磁場に関するデータを示している。
【００６６】
図８に示すように、垂直磁場は１．５ナノ秒間だけ発生させた。また、平行磁場は、垂直磁場発生開始から１ナノ秒経過後に発生させ、それから９ナノ秒経過後に消失させた。なお、垂直磁場の強さは約２５Ｏｅとした。
【００６７】
このような方法で垂直磁場及び平行磁場を発生させて上記ＭＴＪ素子２の磁気抵抗特性について調べた。その結果、約２８Ｏｅ以上の平行磁場でフリー層１１の磁化を反転させることができた。
【００６８】
（実施例３）
本例では、図５（ａ）に示すＭＲＡＭ１を以下の方法により作製した。なお、本例では、磁気抵抗効果素子２をＭＴＪ素子とした。
【００６９】
すなわち、マグネトロンスパッタリング装置を用いて、図示しない熱酸化Ｓｉ基板上に、厚さ１０ｎｍのＴａ層と厚さ１０ｎｍのＮｉＦｅ層とを積層してなる下地層（図示せず）、ＩｒＭｎからなる厚さ１２ｎｍの反強磁性層１４ａ、Ｃｏ₉Ｆｅからなる厚さ２ｎｍのピン層１２ａ、Ａｌ₂Ｏ₃からなる厚さ１．５ｎｍのトンネルバリア層１３ａ、Ｃｏ₉Ｆｅからなる厚さ３ｎｍのフリー層１１、Ａｌ₂Ｏ₃からなる厚さ１．５ｎｍのトンネルバリア層１３ｂ、Ｃｏ₉Ｆｅからなる厚さ２ｎｍのピン層１２ｂ、及びＩｒＭｎからなる厚さ１２ｎｍの反強磁性層１４ｂを順次積層した。
【００７０】
具体的には、これら薄膜は、膜面方向に１００Ｏｅの磁場を印加しながら、真空破壊することなく連続的に形成した。トンネルバリア層１３ａ，１３ｂは、Ａｌ層を成膜した後、これをプラズマ酸化することにより形成した。また、本例では、スパッタリングにより得られた薄膜をフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とを用いてパターニングすることにより、所定形状の薄膜を作製した。なお、ここでは、接合面積は１μｍ×２μｍとした。
【００７１】
配線３及びワード線４は上記のＭＴＪ素子２を作製する前に同一工程で作製し、ワード線４とＭＴＪ素子２との間には絶縁層を介在させた。また、ビット線５は上記のＭＴＪ素子２を作製した後に作製し、それらの間には絶縁層を介在させた。なお、配線３とワード線４との距離は１μｍとし、配線３の幅は０．５μｍとした。以上のようにして、図５（ａ）に示すＭＲＡＭ１を作製した。
【００７２】
次に、上記のＭＲＡＭ１の配線３に電流を流してフリー層１１の位置に約２０Ｏｅの垂直磁場を発生させ、この垂直磁場の存在下でＭＴＪ素子２の磁気抵抗特性について４端子法を用いて調べた。また、配線３に電流を流さなかったこと以外は同様の方法によりＭＴＪ素子２の磁気抵抗特性について調べた。
【００７３】
その結果、垂直磁場を生じさせなかった場合、約３０Ｏｅ以上の平行磁場でフリー層１１の磁化を反転させることができた。これに対し、垂直磁場を生じさせた場合、約２７Ｏｅ以上の平行磁場でフリー層１１の磁化を反転させることができた。
【００７４】
【発明の効果】
本発明によれば、磁気抵抗効果素子のフリー層の磁化を反転させるのに使用する配線への負担が少なく且つフリー層の磁化を反転させるのに要する消費電力を低減可能な磁気デバイス及び磁気メモリが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るＭＲＡＭを概略的に示す斜視図。
【図２】図１のＭＲＡＭでコイルに電流を流した場合にフリー層で生じ得る磁化の向きの変化を概略的に示す斜視図。
【図３】（ａ）乃至（ｃ）は、図１のＭＲＡＭに情報を書き込む際にフリー層で生じ得る磁化の向きの変化を概略的に示す平面図。
【図４】（ａ）は図１に示すＭＲＡＭの具体的な構造の一例を概略的に示す平面図、（ｂ）は図１に示すＭＲＡＭの具体的な構造の他の例を概略的に示す斜視図。
【図５】（ａ），（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係るＭＲＡＭを概略的に示す斜視図。
【図６】（ａ）は第１及び第２の実施形態に係るＭＲＡＭに採用可能な構造の一例を概略的に示す斜視図、（ｂ）は第１及び第２の実施形態に係るＭＲＡＭに採用可能な構造の他の例を概略的に示す斜視図。
【図７】本発明の実施例１に係る磁気デバイスについて得られた磁気抵抗特性を示すグラフ。
【図８】本発明の実施例２に係るＭＴＪ素子への印加磁場に関するタイミングチャート。
【符号の説明】
１…ＭＲＡＭ
２…磁気抵抗効果素子
３…垂直磁場発生用配線
４…ワード線
５…ビット線
６…ワード線
７…トランジスタ
８…ダイオード
１０…半導体チップ
１１…フリー層
１２，１２ａ，１２ｂ…ピン層
１３，１３ａ，１３ｂ…非磁性層
１４，１４ａ，１４ｂ…反強磁性層
５１…磁化
５２…磁場の向き
５３…電流の向き
５４…電流の向き
５５…トルクの向き
５６…磁場の向き
５７…磁場の向き
１０１…実線
１０２…破線
１０３…実線
１０４…破線[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetic device and a magnetic memory including a magnetoresistive effect element.
[0002]
[Prior art]
The magnetoresistive effect element has, for example, a structure in which a pair of ferromagnetic layers are stacked via a nonmagnetic layer. The resistance value of the magnetoresistive effect element changes according to the relative orientation of the magnetization of the other ferromagnetic layer with respect to the magnetization of the one ferromagnetic layer. A magnetoresistive effect element exhibiting such a magnetoresistive effect can be applied to various uses, and a magnetic random access memory (hereinafter referred to as MRAM) is one of the main uses of the magnetoresistive effect element.
[0003]
In an MRAM, a magnetoresistive element or the like constitutes a memory cell, and one ferromagnetic layer is a pinned layer whose magnetization direction does not change when a magnetic field is applied, and the other ferromagnetic layer is used when the magnetic field is applied. Information is stored as a free layer whose magnetization direction can change. That is, when information is written, a combined magnetic field of a magnetic field generated by flowing a current pulse through the word line and a magnetic field generated by flowing a current pulse through the bit line is applied. Thereby, the magnetization of the free layer is changed between a state parallel to the magnetization of the pinned layer and an antiparallel state, for example. In this way, binary information (“0”, “1”) is stored in the memory cell corresponding to these two states.
[0004]
Further, when reading the written information, a current is passed through the magnetoresistive effect element. Since the resistance value of the magnetoresistive element is different between the above two states, the information stored in the memory cell can be read by detecting the flowing current (or resistance value).
[0005]
By the way, in order to increase the integration density of the MRAM, it is extremely effective to reduce the area of the magnetoresistive effect element. However, in general, when the area of the free layer is reduced, the coercive force increases. Therefore, the strength of the magnetic field (switching magnetic field) required to change the magnetization of the free layer between a state parallel to the magnetization of the pinned layer and an antiparallel state according to the reduction in the area of the magnetoresistive effect element. You have to increase it.
[0006]
The switching magnetic field can be strengthened, for example, by flowing a larger current through the write wiring during writing. However, in this case, the power consumption is increased and the wiring life is shortened.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above problems, and has a small burden on the wiring used for reversing the magnetization of the free layer of the magnetoresistive effect element, and the consumption required for reversing the magnetization of the free layer. An object is to provide a magnetic device and a magnetic memory capable of reducing power.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
According to the first aspect of the present invention, a free layer which exhibits ferromagnetism and whose magnetization direction can be changed by application of a magnetic field, and which is opposed to the free layer and exhibits ferromagnetism and before and after application of the magnetic field, A magnetoresistive effect element comprising a pinned layer in which orientation is maintained, and a nonmagnetic layer interposed between the free layer and the pinned layer, and a plane parallel to the main surface of the magnetization direction of the free layer In the case of changing the magnetization direction of the free layer from a direction parallel to the principal surface by generating a perpendicular magnetic field component perpendicular to the principal surface of the free layer at the position of the free layer by flowing a current. There is provided a magnetic device comprising a vertical magnetic field generating wiring inclined toward a direction perpendicular to the main surface.
[0009]
According to the second aspect of the present invention, a free layer which exhibits ferromagnetism and whose magnetization direction can be changed by application of a magnetic field, and which is opposite to the free layer and exhibits ferromagnetism and magnetization before and after application of the magnetic field. A magnetoresistive effect element comprising a pinned layer in which the orientation is maintained, and a nonmagnetic layer interposed between the free layer and the pinned layer; and one of the free layers facing the side surface of the free layer There is provided a magnetic device comprising a vertical magnetic field generating wiring extending parallel to or obliquely with respect to a main surface.
[0010]
According to the third aspect of the present invention, a free layer that exhibits ferromagnetism and whose magnetization direction can be changed by application of a magnetic field, and that is opposite to the free layer and exhibits ferromagnetism and exhibits magnetization before and after application of the magnetic field. A magnetoresistive effect element comprising a pinned layer whose orientation is maintained, and a nonmagnetic layer interposed between the free layer and the pinned layer, and a periphery of a straight line intersecting one main surface of the free layer A magnetic device comprising a vertical magnetic field generating wiring provided in a coil shape is provided.
[0011]
According to a fourth aspect of the present invention, the magnetic device according to any one of the first to third aspects, a word line facing the magnetoresistive element, the word line facing the magnetoresistive element and the word line And a bit line intersecting with the magnetic memory.
[0012]
According to the fifth aspect of the present invention, a free layer that exhibits ferromagnetism and whose magnetization direction can be changed by application of a magnetic field, and that is opposed to the free layer and exhibits ferromagnetism and before and after application of the magnetic field, A memory cell including a magnetoresistive element including a pinned layer whose orientation is maintained, and a nonmagnetic layer interposed between the free layer and the pinned layer; and a word line facing the magnetoresistive element; A bit line facing the magnetoresistive element and intersecting the word line, and a vertical magnetic field generating wiring extending parallel to or obliquely with respect to one main surface of the free layer, In the writing of information to a cell, a combined magnetic field generated by passing a current through the word line, the bit line, and the vertical magnetic field generation wiring is configured to act as the magnetic field. Magnetic memory is provided that.
[0013]
In the first to fifth aspects, the vertical magnetic field generating wiring may generate only a vertical magnetic field component perpendicular to one main surface of the free layer by passing a current through the wiring, or one of the free layers. Both a vertical magnetic field component perpendicular to the principal surface and a parallel magnetic field component parallel to the principal surface may be generated. Here, the “perpendicular magnetic field component” does not have to have a uniform direction and strength throughout the free layer unless the strength is zero when averaged at the position of the free layer.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In each figure, the same reference numerals are given to components having the same or similar functions, and redundant description is omitted.
[0015]
FIG. 1 is a perspective view schematically showing an MRAM according to the first embodiment of the present invention. The MRAM 1 shown in FIG. 1 includes a magnetoresistive effect element 2, a coil 3 that is a vertical magnetic field generating wiring, a write word line 4, and a write bit line 5. The word line 4 and the bit line 5 intersect so as to be substantially orthogonal to each other with a predetermined gap. The magnetoresistive effect element 2 is located between the word line 4 and the bit line 5, and the coil 3 is disposed so as to surround the space above the magnetoresistive effect element 2. The magnetoresistive element 2 includes a free layer 11, a pinned layer 12, a nonmagnetic layer 13, and an antiferromagnetic layer 14. Further, the magnetoresistive effect element 2 and the coil 3 constitute a magnetic device.
[0016]
FIG. 2 is a perspective view schematically showing a change in the direction of magnetization that can occur in the free layer 11 when a current is passed through the coil 3 in the MRAM 1 of FIG.
When an upward vertical magnetic field in the figure is applied to the free layer 11, as shown in FIG. 2, the magnetization 51 (rightward in the figure) oriented in the direction parallel to the principal surface (in the in-plane direction) precesses. Then, it tries to go in a direction perpendicular to the main surface of the free layer 11 (plane normal direction). That is, during the period from the application of the upward vertical magnetic field in the figure to the free layer 11 until the magnetization 51 oriented in the in-plane direction faces the perpendicular direction, the magnetization 51 has an axis parallel to the perpendicular direction as the rotation axis. Receive torque. Since the direction of this torque can be changed according to the direction of the vertical magnetic field, it can be used for writing information as described below.
[0017]
FIGS. 3A to 3C are plan views schematically showing changes in the direction of magnetization that can occur in the free layer 11 when information is written to the MRAM 1 of FIG.
In FIG. 3A and FIG. 3C, the magnetization 51 of the free layer 11 is reversed. For example, the state shown in FIG. 3A corresponds to information “0”, and the state shown in FIG. 3C corresponds to information “1”.
[0018]
In the present embodiment, when changing the magnetization 51 from the state shown in FIG. 3A to the state shown in FIG. 3C, for example, first, a current is passed through the coil 3 and the reference is made to FIG. As indicated by numeral 52, a vertical magnetic field directed from the word line 4 side to the bit line 5 side is generated at the position of the free layer 11. As a result, the magnetization 51 is inclined from the in-plane direction to the perpendicular direction as described above with reference to FIG. 2 and starts rotating counterclockwise in the figure by the torque in the direction indicated by the arrow 55. The magnitude of the current flowing through the coil 3 and the time during which the current flows through the coil 3 is set so that the maximum value of the rotation angle of the magnetization 51 by the torque is less than 90 °.
[0019]
The current in the direction indicated by the arrow 53 in the word line 4 at the same time as the magnetization 51 starts to rotate by the torque or after the rotation starts and before the energization of the coil 3 is stopped. And a current in the direction indicated by the arrow 54 is supplied to the bit line 5. Thereby, the magnetic field of the direction shown by the arrows 56 and 57 is generated, and the magnetization 51 is further rotated counterclockwise. Here, the magnitude of the current passed through the word line 4 and the bit line 5 is set so that the counterclockwise rotation angle of the magnetization 51 exceeds 90 ° with respect to the state shown in FIG.
[0020]
Thereafter, the energization to the coil 3 is stopped, and at the same time, the energization to the word line 4 and the bit line 5 is stopped, or the energization to the word line 4 and the bit line 5 is stopped after the energization to the coil 3 is stopped. . Since the uniaxial magnetic anisotropy is given to the free layer 11 in the vertical direction in the figure, by stopping energization to these wirings, the magnetization 51 becomes upward in the figure as shown in FIG. .
[0021]
As described above, information “1” can be written. Information “0” can be written by the same method as described above except that the direction of the current flowing through the coil 3 and the direction of the current flowing through the bit line 5 are reversed.
[0022]
In this method, as described above, the magnetization 51 is rotated using a parallel magnetic field and a vertical magnetic field. The rotation of the magnetization 51 by the vertical magnetic field proceeds extremely faster than the rotation of the magnetization 51 by the parallel magnetic field. Therefore, when this method is employed, the time required for writing can be shortened.
[0023]
In this method, not only a parallel magnetic field but also a vertical magnetic field is used, so that it is not necessary to pass a large current through each of the coil 3, the word line 4, and the bit line 5. In addition, as described above, since writing can be performed in a short time, the period during which current flows through these wirings may be short. Therefore, when the above method is adopted, it is possible to reduce the burden on the wiring used to invert the magnetization 51 of the free layer 11 and reduce the power consumption required to invert the magnetization 51.
[0024]
In the present embodiment, the coil 3 can have various forms.
FIG. 4A is a plan view schematically showing an example of a specific structure of the MRAM 1 shown in FIG. FIG. 4B is a perspective view schematically showing another example of the specific structure of the MRAM 1 shown in FIG.
[0025]
In the MRAM 1 shown in FIG. 4A, each memory cell includes one magnetoresistive element 2 and one coil 3. Employing such a structure is advantageous in reducing power consumption because the coil 3 can be disposed close to the magnetoresistive element 2. When this structure is employed, the number of turns of the coil 3 is usually less than 1 in order to simplify the manufacturing process.
[0026]
When each memory cell includes one magnetoresistive element 2 and one coil 3, the coil 3 and the free layer 11 may not be located in the same plane, but from the viewpoint of power consumption, the coil 3 And the free layer 11 are advantageously located in the same plane. Moreover, when the coil 3 and the word line 4 or the bit line 5 are arrange | positioned in the same surface, they can be formed simultaneously.
[0027]
The MRAM 1 shown in FIG. 4B includes a semiconductor chip 10 and a coil 3. The semiconductor chip 10 includes a large number of memory cells each including the magnetoresistive effect element 2 and arranged in an array, a plurality of word lines 4 arranged in the vertical direction, a plurality of bit lines 5 arranged in the horizontal direction, and the like. Is formed.
[0028]
If such a structure is adopted, the manufacturing process of the MRAM 1 can be greatly simplified. Moreover, when this structure is adopted, it is easy to set the number of turns of the coil 3 to 1 or more. In addition, when the semiconductor chip 10 includes a plurality of regions that can be accessed in parallel (each region includes a plurality of memory cells), the coil 3 is provided for each region.
[0029]
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
5A and 5B are perspective views schematically showing an MRAM according to the second embodiment of the present invention. The MRAM 1 shown in FIGS. 5A and 5B has substantially the same structure as the MRAM 1 shown in FIG. 1 except that a wiring is provided instead of a coil as a vertical magnetic field generating wiring. In these MRAMs 1, the magnetoresistive effect element 2 includes a free layer 11, pinned layers 12a and 12b, nonmagnetic layers 13a and 13b, and antiferromagnetic layers 14a and 14b. The magnetoresistive effect element 2 and the wiring 3 constitute a magnetic device.
[0030]
As shown in FIGS. 5A and 5B, in this embodiment, the word line 4 is disposed in front of the bottom surface of the magnetoresistive element 2, and the bit line 5 is disposed on the top surface of the magnetoresistive element 2. Place it in front. On the other hand, the wiring 3 is disposed at a position shifted from the front with respect to the bottom surface of the magnetoresistive element 2 as shown in FIG. 5A, or is free as shown in FIG. 5B. It arrange | positions in front with respect to the side surface of the layer 11. FIG. By adopting such a structure, by passing a current through the wiring 3, the word line 4 and the bit line 5, the wiring 3 mainly generates a vertical magnetic field at the position of the free layer 11, and the word line 4 and the bit line 5 are free. A parallel magnetic field is generated at the position of the layer 11. Therefore, writing can be performed by the same method as described with reference to FIGS. Therefore, according to this embodiment, the same effect as described in the first embodiment can be obtained.
[0031]
In the present embodiment, the longitudinal direction of the wiring 3 is not particularly limited as long as it is not perpendicular to the main surface of the free layer 11, but is desirably substantially parallel to the main surface of the free layer 11. In this case, a magnetic field generated at the position of the free layer 11 by flowing a current through the wiring 3 can be mainly a vertical magnetic field.
[0032]
When the longitudinal direction of the wiring 3 is substantially parallel to the main surface of the free layer 11, the wiring 3 may be disposed substantially parallel to the word line 4, for example. Alternatively, the wiring 3 may be disposed substantially parallel to the bit line 5.
[0033]
In the present embodiment, the wiring 3 and the word line 4 or the bit line 5 can be arranged in the same plane as shown in FIG. This structure is advantageous for simplifying the manufacturing process. Further, as shown in FIG. 5B, the wiring 3 and the free layer 11 may be arranged in the same plane. In this structure, the wiring 3 can be arranged close to the free layer 11 and, in addition, the magnetic field generated at the position of the free layer 11 by the wiring 3 can be made almost only a vertical magnetic field. It is advantageous.
[0034]
When the wiring 3 and the free layer 11 are not arranged in the same plane, the magnetic field generated at the position of the free layer 11 by passing a current through the wiring 3 includes not only a vertical magnetic field component but also a parallel magnetic field component. Become. This parallel magnetic field component is opposite in the case of writing information “0” and in the case of writing information “1”. Therefore, when the wiring 3 and the word line 4 are arranged substantially in parallel, the above-described parallel magnetic field component and the parallel magnetic field generated by the word line 4 are different depending on whether the information “0” is written or the information “1” is written. The degree of interference will be different.
[0035]
On the other hand, if the wiring 3 and the bit line 5 are arranged substantially in parallel, the degree of interference between the parallel magnetic field component generated by the wiring 3 and the parallel magnetic field generated by the bit line 5 writes information “0”. There is no difference between the case of writing information “1”. Further, if the relative position of the wiring 3 with respect to the free layer 11 is appropriately set, the parallel magnetic field component generated by the wiring 3 and the parallel magnetic field generated by the bit line 5 can always be in the same direction.
[0036]
In the present embodiment, when the wiring 3 and the word line 4 are substantially parallel, they may be alternately arranged in the longitudinal direction of the bit line 5. Alternatively, the wiring 3 and the word line 4 may be arranged in the longitudinal direction of the bit line 5 with (word line 4 / wiring 3 / word line 4) as a repeating unit. In the latter arrangement, the pair of magnetoresistive elements 2 adjacent to each other in the longitudinal direction of the bit line 5 across the wiring 3 share the wiring 3. Therefore, it is advantageous when the MRAM 1 is highly integrated.
[0037]
In the first and second embodiments, the magnetoresistive element 2 may have the structure shown in FIG. 1, or may have the structure shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b). . The detailed structure of the magnetoresistive effect element 2 will be described later.
[0038]
Various structures can be employed in the MRAM 1 according to the first and second embodiments.
FIG. 6A is a perspective view schematically showing an example of a structure that can be employed in the MRAM 1 according to the first and second embodiments. FIG. 6B is a perspective view schematically showing another example of a structure that can be employed in the MRAM 1 according to the first and second embodiments. In FIGS. 6A and 6B, the vertical magnetic field generating wiring 3 is omitted.
[0039]
In the MRAM 1 shown in FIG. 6A, a read word line 6 is provided substantially in parallel with the write word line 4. The read word line 6 is connected to the gate of the transistor 7, and one of the source and drain of the transistor 7 is electrically connected to the antiferromagnetic layer 14 via the lower electrode 16. The bit line 5 is electrically connected to the free layer 11 and can be used for both reading and writing. In the MRAM 1, each memory cell includes a magnetoresistive element 2 and a transistor 7.
[0040]
In the MRAM 1 shown in FIG. 6B, the diode 8 and the magnetoresistive element 2 are connected in series between the word line 4 and the bit line 5. In the MRAM 1, the word line 4 and the bit line 5 can be used for both reading and writing. In the MRAM 1, each memory cell includes a magnetoresistive element 2 and a diode 8.
[0041]
When the vertical magnetic field generating wiring 3 is provided in the MRAM 1 shown in FIGS. 6A and 6B, the effects described in the first and second embodiments can be obtained. In addition, in the MRAM 1 shown in FIGS. 6A and 6B, each memory cell includes a switching element such as the transistor 7 and the diode 8 in addition to the magnetoresistive effect element 2, so that nondestructive reading is possible. is there.
[0042]
Next, each component of the MRAM 1 according to the first and second embodiments will be described.
As described above, the free layer 11 is given uniaxial magnetic anisotropy. The free layer 11 may have a single layer structure or may have a multilayer structure. That is, the free layer 11 may be a single ferromagnetic layer. Or, for example, a three-layer structure represented by a ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer or a five-layer structure represented by ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer In addition, it may have a multilayer structure in which a nonmagnetic layer is interposed between two adjacent ferromagnetic layers. When a multilayer structure is adopted for the free layer 11, the composition may be the same between the ferromagnetic layers or may be different from each other.
[0043]
Examples of materials that can be used for the ferromagnetic layer of the free layer 11 include Fe, Co, Ni, alloys thereof, NiMnSb, PtMnSb, and Co. ₂ Examples include Heusler alloys such as MnGe. Examples of materials that can be used for the nonmagnetic layer of the free layer 11 include Cu, Au, Ru, Ir, Rh, and Ag.
[0044]
The film thickness of the ferromagnetic layer of the free layer 11 needs to be thick enough not to become superparamagnetic, and is preferably 0.1 nm or more, and more preferably 1 nm or more. Further, if the ferromagnetic layer of the free layer 11 is excessively thick, a large switching magnetic field is required. Therefore, the film thickness of the ferromagnetic layer of the free layer 12 is preferably 100 nm or less, and more preferably 10 nm or less.
[0045]
Unidirectional magnetic anisotropy is imparted to the pinned layers 12, 12a, and 12b. The pinned layers 12, 12a, 12b may have a single layer structure or may have a multilayer structure. That is, the pinned layers 12, 12a, 12b may be a single ferromagnetic layer. Or, for example, a three-layer structure represented by a ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer or a five-layer structure represented by ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer In addition, it may have a multilayer structure in which a nonmagnetic layer is interposed between two adjacent ferromagnetic layers. When a multi-layer structure is adopted for the pinned layers 12, 12a, 12b, the composition and film thickness may be the same or different from each other between the ferromagnetic layers. As materials of the ferromagnetic layer and the nonmagnetic layer of the pinned layers 12, 12a, and 12b, for example, materials exemplified with respect to the ferromagnetic layer and the nonmagnetic layer of the free layer 11 can be used, respectively.
[0046]
As a material of the nonmagnetic layers 13, 13a, 13b, for example, Al ₂ O _Three , SiO ₂ , MgO, AlN, AlON, GaO, Bi ₂ O _Three , SrTiO ₂ And AlLaO _Three It is possible to use a dielectric such as a dielectric or an insulator. In this case, the magnetoresistive effect element 2 can be an MTJ element. When the magnetoresistive element 2 is an MTJ element, the film thickness of the nonmagnetic layers (tunnel barrier layers) 13, 13a, 13b is, for example, about 0.5 nm to 3 nm.
[0047]
Further, as the material of the nonmagnetic layers 13, 13a, 13b, for example, a conductive material such as Cu, Ag, and Au can be used. In this case, the magnetoresistive element 2 can be a giant magnetoresistive (GMR) element using spin-dependent scattering at the interface.
[0048]
When the magnetoresistive element 2 is an MTJ element, the value of the tunnel current flowing between the free layer 11 and the pinned layers 12, 12a, 12b is the magnetization of the free layer 11 and the pinned layers 12, 12a, 12b, It is proportional to the cosine of the angle formed by the magnetization of 12b. The tunnel resistance value is maximized when the magnetizations are in the opposite directions, and the tunnel resistance value is minimized when the magnetizations are in the same direction.
[0049]
When the magnetoresistive element 2 is a GMR element, the resistance value is proportional to the cosine of the angle formed by the magnetization of the free layer 11 and the magnetization of the pinned layers 12, 12a, and 12b. The resistance value is maximized when the magnetizations are in opposite directions, and the resistance value is minimized when the magnetizations are in the same direction.
[0050]
The magnetoresistive effect element 2 may or may not include the antiferromagnetic layers 14, 14a, and 14b on the pinned layers 12, 12a, and 12b. When the antiferromagnetic layers 14, 14a, and 14b are provided, the magnetization of the pinned layers 12, 12a, and 12b is further increased by exchange coupling between the pinned layers 12, 12a, and 12b and the antiferromagnetic layers 14, 14a, and 14b. It can be firmly fixed. As a material of the antiferromagnetic layers 14, 14a, 14b, for example, an alloy such as Fe—Mn, Pt—Mn, Pt—Cr—Mn, Ni—Mn, and Ir—Mn, NiO, or the like can be used. . Further, instead of providing the antiferromagnetic layers 14, 14a, 14b on the pinned layers 12, 12a, 12b, a hard magnetic layer may be provided. In this case, the magnetization of the pinned layers 12, 12a, 12b can be more firmly fixed by the leakage magnetic field from the hard magnetic layer.
[0051]
When the magnetoresistive effect element 2 includes the free layer 11, the nonmagnetic layer 13, and the pinned layer 12, the free layer 11 may be disposed on the ground side, or the pinned layer 12 is disposed on the ground side. Also good.
[0052]
The magnetoresistive element 2 may further include a lower electrode 16 and a protective film (not shown). As the lower electrode 16 and the protective layer, for example, a layer containing Ta, Ti, Pt, Pd, and Au, Ti / Pt, Ta / Pt, Ti / Pd, Ta / Pd, and Ta / Ru are used. The laminated film represented can be used. The magnetoresistive effect element 2 may further include an underlayer for improving the crystal orientation of each layer constituting the free layer 11 and the pinned layers 12, 12a, 12b. Examples of the material for the underlayer include known materials such as NiFe.
[0053]
The magnetoresistive element 2 can be obtained, for example, by sequentially depositing various thin films on an underlayer provided on one main surface of a substrate. These thin films can be formed by using vapor deposition methods such as various sputtering methods, vapor deposition methods, and molecular beam epitaxy methods, or methods combining vapor deposition and oxidation, nitridation, and the like. Moreover, as a material of the substrate, for example, Si, SiO ₂ , Al ₂ O _Three , Spinel, and AlN.
[0054]
As the material for the vertical magnetic field generating wiring 3, the word lines 4, 6 and the bit line 5, for example, a metal such as Cu or an alloy can be used.
[0055]
As described above, the use of the magnetic device including the magnetoresistive effect element 2 and the vertical magnetic field generating wiring 3 in the MRAM has been described. This magnetic device is a magnetic head, a magnetic reproducing apparatus equipped with the magnetic head, or a magnetic recording / reproducing. It can also be used for devices and magnetic sensors.
[0056]
【Example】
Examples of the present invention will be described below.
Example 1
In this example, first, the magnetoresistive effect element 2 shown in FIG. 1 was produced by the following method. In this example, the magnetoresistive effect element 2 is an MTJ element.
[0057]
That is, using a magnetron sputtering apparatus, a base layer (not shown) formed by laminating a Ta layer having a thickness of 10 nm and a NiFe layer having a thickness of 10 nm on a thermally oxidized Si substrate (not shown), a thickness made of IrMn. 12 nm antiferromagnetic layer 14, Co ₉ 2 nm thick pinned layer 12 made of Fe, Al ₂ O _Three A tunnel barrier layer 13 having a thickness of 1.5 nm and Co ₉ A free layer 11 made of Fe and having a thickness of 3 nm was sequentially laminated.
[0058]
Specifically, these thin films were continuously formed without breaking vacuum while applying a magnetic field of 100 Oe in the film surface direction. The tunnel barrier layer 13 was formed by forming an Al layer and then oxidizing it. The underlayer, the antiferromagnetic layer 14 and the pinned layer 12 were formed by sputtering using a mask having a strip-like (lower wiring shape) opening having a width of 100 μm. The Al layer was formed by sputtering using a mask having a rectangular (joint shape) opening. The free layer 11 was formed by sputtering using a mask having a strip-like opening having a width of 100 μm (upper wiring shape orthogonal to the lower wiring). The mask was exchanged in a vacuum chamber. As described above, the MTJ element 2 having a junction area of 100 μm × 100 μm was produced.
[0059]
Next, as shown in FIG. 1, a separately produced coil 3 having a diameter of 1 mm was disposed above the MTJ element 2. That is, a magnetic device composed of the MTJ element 2 and the coil 3 was produced. Thereafter, a current was passed through the coil 3 to generate a vertical magnetic field of about 25 Oe at the position of the free layer 11, and the magnetoresistance characteristics of the MTJ element 2 were examined using the four-terminal method in the presence of this vertical magnetic field. Further, the magnetoresistive characteristics of the MTJ element 2 were examined by the same method except that no current was passed through the coil 3.
[0060]
FIG. 7 is a graph showing magnetoresistance characteristics obtained for the magnetic device according to Example 1 of the present invention. In the figure, the horizontal axis indicates the strength of the parallel magnetic field applied to the free layer 11, and the vertical axis indicates the resistance value in the film thickness direction of the MTJ element 2. A solid line 101 indicates data obtained when a vertical magnetic field is applied to the MTJ element 2 using the coil 3, and a broken line 102 indicates data obtained without applying a vertical magnetic field to the MTJ element 2. .
[0061]
As shown in FIG. 7, when a vertical magnetic field is not generated, the magnetization of the free layer 11 can be reversed by a parallel magnetic field of about 25 Oe or more, and the magnetoresistance change rate (hereinafter referred to as MR ratio) is 38%. there were. On the other hand, when a perpendicular magnetic field was generated, the magnetization of the free layer 11 could be reversed with a parallel magnetic field of about 10 Oe or more, and the MR ratio was 36%. That is, the magnitude of the parallel magnetic field necessary for reversing the magnetization of the free layer 11 could be greatly reduced without substantially affecting the MR ratio.
[0062]
(Example 2)
In this example, when forming a thin film of a predetermined shape, instead of performing sputtering through a mask, sputtering is performed without using a mask, and the resulting thin film is patterned using photolithography technology and etching technology. An MTJ element 2 was fabricated by the same method as described in Example 1 except that. Here, the bonding area was 1 μm × 2 μm.
[0063]
Next, the coil 3 as shown in FIG. 4 was formed. However, here, the coil 3 is formed by forming a conductor film above the MTJ element 2 via an insulating film and patterning it using a photolithography technique and an etching technique.
[0064]
Thereafter, the magnetoresistance characteristics of the MTJ element 2 were examined by the same method as in Example 1 without generating a vertical magnetic field. As a result, when no vertical magnetic field was generated, the magnetization of the free layer 11 could be reversed with a parallel magnetic field of about 35 Oe or more. The MR ratio was 38%.
[0065]
Next, the same measurement as described above was performed by applying a vertical magnetic field and a parallel magnetic field to the free layer 11 by the method described below.
FIG. 8 is a timing chart regarding the magnetic field applied to the MTJ element 2 according to the second embodiment of the present invention. The horizontal axis indicates the elapsed time since the start of energization of the coil 3, and the vertical axis indicates the strength of the magnetic field at the position of the free layer 11. A solid line 103 indicates data related to the vertical magnetic field, and a broken line 104 indicates data related to the parallel magnetic field.
[0066]
As shown in FIG. 8, the vertical magnetic field was generated for 1.5 nanoseconds. The parallel magnetic field was generated after 1 nanosecond had elapsed since the start of vertical magnetic field generation, and then disappeared after 9 nanoseconds had elapsed. The strength of the vertical magnetic field was about 25 Oe.
[0067]
The magnetoresistive characteristics of the MTJ element 2 were examined by generating a vertical magnetic field and a parallel magnetic field by such a method. As a result, the magnetization of the free layer 11 could be reversed with a parallel magnetic field of about 28 Oe or more.
[0068]
Example 3
In this example, the MRAM 1 shown in FIG. 5A was produced by the following method. In this example, the magnetoresistive effect element 2 is an MTJ element.
[0069]
That is, using a magnetron sputtering apparatus, a base layer (not shown) formed by laminating a Ta layer having a thickness of 10 nm and a NiFe layer having a thickness of 10 nm on a thermally oxidized Si substrate (not shown), a thickness made of IrMn. 12 nm antiferromagnetic layer 14a, Co ₉ 2 nm thick pinned layer 12a made of Fe, Al ₂ O _Three 1.5 nm thick tunnel barrier layer 13a, Co ₉ 3 nm thick free layer 11 made of Fe, Al ₂ O _Three A tunnel barrier layer 13b having a thickness of 1.5 nm, Co ₉ A pinned layer 12b made of Fe having a thickness of 2 nm and an antiferromagnetic layer 14b made of IrMn having a thickness of 12 nm were sequentially laminated.
[0070]
Specifically, these thin films were continuously formed without breaking vacuum while applying a magnetic field of 100 Oe in the film surface direction. The tunnel barrier layers 13a and 13b were formed by plasma-oxidizing an Al layer after forming it. Moreover, in this example, the thin film obtained by sputtering was patterned using a photolithography technique and an etching technique to produce a thin film having a predetermined shape. Here, the bonding area was 1 μm × 2 μm.
[0071]
The wiring 3 and the word line 4 were manufactured in the same process before the MTJ element 2 was manufactured, and an insulating layer was interposed between the word line 4 and the MTJ element 2. In addition, the bit line 5 was manufactured after the above-described MTJ element 2 was manufactured, and an insulating layer was interposed between them. The distance between the wiring 3 and the word line 4 was 1 μm, and the width of the wiring 3 was 0.5 μm. As described above, the MRAM 1 shown in FIG.
[0072]
Next, a current is passed through the wiring 3 of the MRAM 1 to generate a vertical magnetic field of about 20 Oe at the position of the free layer 11, and the magnetoresistance characteristic of the MTJ element 2 in the presence of this vertical magnetic field is determined using a four-terminal method. Examined. Further, the magnetoresistive characteristics of the MTJ element 2 were examined by the same method except that no current was passed through the wiring 3.
[0073]
As a result, when no vertical magnetic field was generated, the magnetization of the free layer 11 could be reversed with a parallel magnetic field of about 30 Oe or more. On the other hand, when a vertical magnetic field was generated, the magnetization of the free layer 11 could be reversed with a parallel magnetic field of about 27 Oe or more.
[0074]
【The invention's effect】
According to the present invention, a magnetic device and a magnetic memory that can reduce the load on the wiring used to invert the magnetization of the free layer of the magnetoresistive element and reduce the power consumption required to invert the magnetization of the free layer. Is provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view schematically showing an MRAM according to a first embodiment of the present invention.
2 is a perspective view schematically showing a change in magnetization direction that can occur in a free layer when a current is passed through a coil in the MRAM of FIG. 1; FIG.
FIGS. 3A to 3C are plan views schematically showing changes in the direction of magnetization that can occur in the free layer when information is written to the MRAM of FIG. 1;
4A is a plan view schematically showing an example of a specific structure of the MRAM shown in FIG. 1, and FIG. 4B is a schematic view of another example of the specific structure of the MRAM shown in FIG. FIG.
FIGS. 5A and 5B are perspective views schematically showing an MRAM according to a second embodiment of the present invention. FIGS.
FIG. 6A is a perspective view schematically showing an example of a structure that can be adopted in the MRAM according to the first and second embodiments, and FIG. 6B shows the MRAM according to the first and second embodiments. The perspective view which shows schematically the other example of the structure which can be employ | adopted.
FIG. 7 is a graph showing magnetoresistance characteristics obtained for the magnetic device according to Example 1 of the invention.
FIG. 8 is a timing chart regarding a magnetic field applied to an MTJ element according to Example 2 of the invention.
[Explanation of symbols]
1 ... MRAM
2 ... Magnetoresistive effect element
3 ... Wiring for vertical magnetic field generation
4. Word line
5 ... Bit line
6 ... Word line
7 ... Transistor
8 ... Diodes
10 ... Semiconductor chip
11 ... Free layer
12, 12a, 12b ... pinned layer
13, 13a, 13b ... nonmagnetic layer
14, 14a, 14b ... antiferromagnetic layer
51 ... Magnetization
52 ... Magnetic field direction
53 ... Current direction
54 ... Direction of current
55 ... Direction of torque
56 ... Direction of magnetic field
57 ... Direction of magnetic field
101 ... solid line
102 ... broken line
103 ... Solid line
104 ... broken line

Claims

A free layer exhibiting ferromagnetism and capable of changing the direction of magnetization upon application of a magnetic field, a pinned layer facing the free layer and exhibiting ferromagnetism and maintaining the magnetization direction before and after application of the magnetic field, A magnetoresistive effect element comprising a nonmagnetic layer interposed between a free layer and the pinned layer;
When changing the magnetization direction of the free layer in a plane parallel to the principal surface, a perpendicular magnetic field component perpendicular to the principal surface of the free layer is generated at the position of the free layer by passing an electric current. A magnetic device comprising: a perpendicular magnetic field generating wiring for tilting a magnetization direction of a free layer from a direction parallel to the main surface to a direction perpendicular to the main surface.

A free layer exhibiting ferromagnetism and capable of changing the direction of magnetization upon application of a magnetic field, a pinned layer facing the free layer and exhibiting ferromagnetism and maintaining the magnetization direction before and after application of the magnetic field, A magnetoresistive effect element comprising a nonmagnetic layer interposed between a free layer and the pinned layer;
A magnetic device comprising: a perpendicular magnetic field generating wiring which faces a side surface of the free layer and extends parallel or obliquely to one main surface of the free layer.

A free layer exhibiting ferromagnetism and capable of changing the direction of magnetization upon application of a magnetic field, a pinned layer facing the free layer and exhibiting ferromagnetism and maintaining the magnetization direction before and after application of the magnetic field, A magnetoresistive effect element comprising a nonmagnetic layer interposed between a free layer and the pinned layer;
A magnetic device comprising: a vertical magnetic field generating wiring provided in a coil shape around a straight line intersecting one main surface of the free layer.

A magnetic device according to any one of claims 1 to 3,
A word line facing the magnetoresistive element;
A magnetic memory comprising a bit line facing the magnetoresistive element and intersecting the word line.

A free layer exhibiting ferromagnetism and capable of changing the direction of magnetization upon application of a magnetic field, a pinned layer facing the free layer and exhibiting ferromagnetism and maintaining the magnetization direction before and after application of the magnetic field, A memory cell including a magnetoresistive effect element including a free layer and a nonmagnetic layer interposed between the pinned layer;
A word line facing the magnetoresistive element;
A bit line facing the magnetoresistive element and intersecting the word line;
A vertical magnetic field generating wiring extending parallel or oblique to one main surface of the free layer,
In the writing of information into the memory cell, a combined magnetic field generated by passing a current through the word line, the bit line, and the vertical magnetic field generating wiring is configured to act as the magnetic field. Magnetic memory.