JP4487705B2 - メモリの記録方法 - Google Patents
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Description
しかし、DRAMは電源を切ると情報が消えてしまう揮発性メモリであるため、情報が消えない不揮発のメモリが望まれている。
一方、記録された情報を書き換えるためには、アドレス配線にある程度の電流を流さなければならない。
そして、MRAMを構成する素子の微細化に従い、アドレス配線も細くなるため、充分な電流が流せなくなってくる。
スピン注入による磁化反転とは、磁性体の中を通過してスピン偏極した電子を、他の磁性体に注入することにより、他の磁性体において磁化反転を起こさせるものである。
そして、スピン注入による磁化反転は、素子が微細化されても、少ない電流で磁化反転を実現することができる利点を有している。
このため、信頼性の高い高速動作可能な磁気メモリを実現することが困難であった。
また、記憶素子に磁場を印加するための磁場印加手段を備えていることにより、情報の記録を行う際に、磁場印加手段によって記憶素子に磁場を印加し、記憶素子の記憶層の磁化の向きを磁場の作用によって磁化容易軸からずらすことが可能になるため、スピン注入による記憶層の磁化の向きの反転を容易に行うことが可能になる。これにより、情報を記録するために必要となる電流を低減させることができ、また記憶層の磁化の向きの反転の前に起こる磁化の振動を経ないで、速やかに磁化反転を行うことが可能になる。
また、磁場印加手段から記憶素子に印加する磁場が、振動磁場であるため、連続磁場を印加する場合と比較して、スピン注入による記憶層の磁化の向きの反転を妨げる作用を小さくすることができる。
このような構成としたときには、記憶層の磁化困難軸とほぼ同じ方向の磁場により、効率良く、記憶層の磁化の向きを磁化容易軸からずらすことができる。これにより、弱い磁場でも、情報を記録するために必要となる電流を低減し、また速やかに磁化反転を行うことができるという効果が得られる。
このようにしたときには、交流磁場の周波数が記憶層の磁化の振動の周波数とほぼ同じであることにより、効率良く記憶層の磁化の反転を補助することができるため、記憶層の磁化を反転して情報を記録するために必要となる電流(記録電流)を大幅に低減することが可能になる。また、弱い磁場でも記録電流を低減することが可能になる。
これにより、記憶素子の劣化や破壊による故障を少なくすることができ、メモリの信頼性を向上することが可能になる。また、情報を記録する際の消費電力を低減することができるため、消費電力の少ないメモリを実現することが可能になる。
さらに、電流供給手段によりパルス電流を供給して情報の記録を行う場合には、連続電流を供給する場合よりも記録電流が増大するが、本発明によればパルス電流を供給して情報の記録を行う場合でも記録電流を小さくすることが可能になる。これにより、パルス電流のパルス幅を短くして、短い時間で情報の記録を行い、情報の記録の高速化を図ることも可能になる。
図1Aの磁場による磁化反転では、上向きの磁化が下向きになるまでは速やかに動き、反転した後に磁化の振動が見られるが、反転までの動作は早く、短時間で磁化反転が可能である。
これに対して、図1Bのスピン偏極電流による磁化反転では、反転するまでに磁化の振動が見られる。特に、電流を流し始めた初期には、磁化容易軸周辺で小さな振動を繰り返すだけで、多くの時間が費やされる。
しかし、多くの電流を流すと、その分消費電力も大きくなってしまう。
そこで、スピン注入による磁化反転の際に、磁場を印加することにより、磁化の向きを記憶層の磁化容易軸からずらす方法が有効と考えられる。この方法により、初期の振動回数を減らして、磁化反転に要する時間を短くすることが可能になる。
ただし、連続的な磁場を印加すると、スピン注入による磁化の動きが磁場によって妨げられるので、パルス磁場や交流磁場等とする必要がある。
また、磁場のパルスとスピン注入電流のパルスは、重なっている必要はなく、ある程度までの時間離れていても良いし、2つのパルス幅が異なっていても良い。
振動磁場としては、例えば、交流磁場のように極性が変化する磁場や、同じ極性で強度が変化する磁場が考えられる。
下層から、反強磁性層1、反強磁性層1により磁化の向きが固定された磁化固定層(参照層)2、非磁性層3、情報を磁化状態(磁化の向き)により保持する記憶層4、上部電極層5とが積層されて、記憶素子6が構成されている。磁化固定層(参照層)2は、記憶層4に対する磁化の向きの基準となるものである。
また、記憶素子6から少し離れて上方に、磁場を印加するための配線(アドレス線)8が設けられている。
また、下部電極層を兼ねる反強磁性層1側には、選択用のトランジスタ9が接続されている。
上述した記憶素子6、電流線7、アドレス線8、選択用のトランジスタ9により、メモリセル10が構成されている。
この図2に示す構成のメモリセル10を多数、列状やマトリクス状に配置することにより、メモリを構成することができる。
磁化固定層(参照層)2には、CoFe等のスピン分極の大きな磁性体が適している。磁化固定層2は、単層でも良く、また複数層の磁性層をRu等の非磁性層を介して積層した構成としても良い。
非磁性層3には、スピン注入においてスピン散乱の少ない金属Cuや、Al酸化物等の絶縁体が適している。
記憶層4には、Fe,Co,Niを主成分とした、結晶質或いは非晶質の磁性体を用いることができる。
上部電極層5には、導電性の良好な材料、例えばTaやWを使用することができる。
電流線7及びアドレス線8は、抵抗の低いAl又はCuで構成することが望ましい。
そして、磁場を印加するためのアドレス線8は、z軸方向即ち記憶層4の磁化容易軸方向に延びるように形成されているので、アドレス線8に電流を流すことにより、記憶層4の磁化困難軸方向(y軸方向)の磁場を印加することができる。
記憶素子6の反強磁性層1と上部電極層5の間に膜厚方向の電流を流すことにより、記憶層4と磁化固定層2との間に電流が流れ、スピン偏極電流注入によって記憶層4の磁化の向きを反転させることができる。このとき、記憶層4の磁化困難軸方向の磁場を印加することにより、記憶層4の磁化の向きを磁化容易軸方向からずらして、スピン偏極電流注入によって磁化の向きを容易に反転させることができる。
磁化の向きを容易に反転させることができるので、短い時間で反転させることや、より少ない電流で反転させることが可能になる。
記憶層4の磁化の向きを磁化容易軸方向からずらして、スピン偏極電流注入によって磁化の向きを容易に反転させるためには、パルス磁場の始端を、パルス電流の始端と同時又はパルス電流の始端よりも先行させることが望ましい。
また、パルス磁場の終端は、パルス電流の終端よりも早いか同時刻であることが望ましい。
そして、パルス磁場の終端が、パルス電流の始端よりも先行していても、それらの間隔がある程度より短い場合は、反転電流を低減する効果がある。これは、両者のパルスの間隔が短いので、パルス磁場により記憶層4の磁化の向きが磁化容易軸方向からずれた状態から、磁化容易軸方向に完全に戻る前に、即ちまだずれている状態であるうちに、スピン偏極電流注入により磁化反転が開始されるためである。
これにより、情報を記録するために必要となる電流を低減し、また記憶層4の磁化の向きの反転の前に起こる磁化の振動を経ないで、速やかに磁化反転を行うことが可能になる。
さらに、電流線7によりパルス電流を供給して情報の記録を行う場合には、連続電流を供給する場合よりも記録電流が増大するが、本実施の形態の構成のメモリでは、パルス電流を供給して情報の記録を行う場合でも記録電流を小さくすることが可能になる。これにより、パルス電流のパルス幅を短くして、短い時間で情報の記録を行い、情報の記録の高速化を図ることも可能になる。
また、電流磁場の作用により、速やかに磁化反転を行うことが可能になるため、この点によっても情報の記録の高速化を図ることが可能になる。
この記憶層4の磁化困難軸方向の電流磁場によって、効率良く、記憶層4の磁化の向きを磁化容易軸からずらすことができる。
これにより、アドレス線8からの電流磁場が弱くても、情報を記録するために必要となる電流を低減し、また速やかに磁化反転を行うことができるという効果が得られる。
従って、電流磁場を発生させるためにアドレス線8に流す電流量を、低減することも可能になる。
ここで、本発明のメモリ・記憶素子の構成において、具体的に記憶層の寸法や組成等を設定して、特性がどのようになるか検討を行った。
このメモリセル20は、図2に示したメモリセル10とは若干構成が異なっている。即ち、反強磁性層1の下に下部電極層11が設けられ、選択用のトランジスタ9は省略されている。また、磁化固定層2は、磁性層12・非磁性層13・磁性層14の3層が積層された構成であり、磁性層14が参照層となる。また、上部電極層5は記憶層4を保護する保護層を兼ねる。
その他の構成は、図2に示したメモリセル10と同様になっている。
次に、記憶素子6の各層を、長辺が約200nm、短辺が約150nmの楕円形状にパターニングした。
その後、上部電極層(保護層)5の上に電流線7を形成し、さらに絶縁層を介して磁場を印加するための配線8を形成した。
次に、300℃・10時間・約1テスラの磁場中熱処理によって、反強磁性層1のPtMn膜を規則結晶化して、磁化固定層21の磁性層(参照層)14の磁化の向きを一方に向くようにした。
なお、作製された記憶素子6の保磁力は110[Oe]であった。
下部電極層11と上部電極層との間に流す電流量を掃引しながら記憶素子6の抵抗を測定し、抵抗が変化したところの電流値から反転電流Icを求めた。
そして、記憶層4と参照層14の磁化の向きが平行状態から反平行状態に変化する電流を負の反転電流(−Ic)とし、反平行状態から平行状態に変化する電流を正の反転電流(+Ic)として、これらの反転電流+Ic,−Icを測定し、正の反転電流(+Ic)と負の反転電流(−Ic)との差の1/2を反転電流Icの平均値とした。
なお、パルス幅が10ns以下のときには、反転に必要な電流が大きくなり過ぎて、大電流を流すことにより記憶素子6が破壊されることから、反転電流の測定ができない。そのため、その部分は理論値により推定することとした。
反転電流Icの平均値の実測値及び理論値と電流パルス幅との関係を、図4に示す。
図4より、実測値がほぼ理論値に一致しており、またパルス幅が10ns以下の理論値から、記録電流のパルス幅が短くなると、反転電流Icが急激に増大することが予想される。
測定結果を図5に示す。図5では、正の反転電流(+Ic)及び負の反転電流(−Ic)をそれぞれ示している。負の反転電流の方が電流の絶対値が大きくなっている。
なお、前述したように、パルス電流を流したときの反転電流は、連続電流を流したときの反転電流と比較して、大きい値となっている。
一方、電流パルスを先にした場合には、反転電流を低減する効果がほとんど得られないことがわかる。
記憶素子6に、記憶層4の磁化困難軸方向に10[Oe]の磁場を印加しながら、記憶層4及び参照層14の磁化の向きが反平行の状態で、0.2mAの連続電流を記憶素子6に流して、記憶素子6の両端で観測される信号を、スペクトルアナライザで周波数解析した。この解析の結果を図8に示す。
図8より、およそ1.05GHzに、強いピークが観測される。
また、2.1GHz付近に見られるピークは、2次高調波成分である。
従って、スピン注入によって、記憶層4の磁化がおよそ1.05GHzで振動している状態が観測されている。
即ち、交流磁場を記憶層4の磁化困難軸に平行な方向に印加することにより、反転電流を低減する効果が大きいことわかる。
なお、交流磁場の方向を、記憶層4の磁化困難軸及び磁化容易軸に対して斜めにした場合には、磁化困難軸に平行な方向とした場合よりも効果は小さくなるが、反転電流を低減することが可能である。
なお、磁化固定層単独で磁化の向きを固定することが可能であれば、反強磁性層を省略しても構わない。
また、磁化固定層や記憶層の各磁性層を、材料や組成の異なる複数の磁性層の積層により構成してもよい。
Claims (4)
- 情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層と、前記記憶層に対して非磁性層を介して設けられ、磁化の向きが固定された磁化固定層とを少なくとも有する記憶素子と、
前記非磁性層を介して、前記記憶層と前記磁化固定層との間に電流を流すための電流供給手段と、
前記記憶素子に磁場を印加するための磁場印加手段とを備えたメモリにおいて、
情報の記録を行う際に、前記電流供給手段により電流を供給して、前記記憶層と前記磁化固定層との間に電流を流し、前記磁場印加手段により、磁場の強度が振動する振動磁場を前記記憶素子に印加する
メモリの記録方法。 - 前記振動磁場の周波数を、前記記憶素子に電流を流したときに発生する前記記憶層の磁化の振動の周波数とほぼ同じとする請求項1に記載のメモリの記録方法。
- 情報の記録を行う際に、前記磁場印加手段により前記振動磁場として交流磁場を前記記憶素子に印加し、前記交流磁場の周波数を、前記記憶素子に電流を流したときに発生する前記記憶層の磁化の振動の周波数とほぼ同じとする請求項1に記載のメモリの記録方法。
- 前記磁場印加手段による磁場の方向が、前記記憶素子の前記記憶層の磁化困難軸とほぼ同じ方向である請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載のメモリの記録方法。
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