JP4581394B2 - Magnetic memory - Google Patents
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Description
本発明は、磁気メモリに係わり、不揮発メモリに適用して好適なものである。 The present invention relates to a magnetic memory, and is suitable for application to a nonvolatile memory.
コンピュータ等の情報機器では、ランダム・アクセス・メモリとして、動作が高速で、高密度なDRAMが広く使われている。
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。
In information devices such as computers, DRAMs with high speed and high density are widely used as random access memories.
However, since DRAM is a volatile memory in which information disappears when the power is turned off, a nonvolatile memory in which information does not disappear is desired.
そして、不揮発メモリの候補として、磁性体の磁化で情報を記録する磁気ランダム・アクセス・メモリ(MRAM)が注目され、開発が進められている(例えば非特許文献1参照)。 As a candidate for a non-volatile memory, a magnetic random access memory (MRAM) that records information by magnetization of a magnetic material has attracted attention and is being developed (for example, see Non-Patent Document 1).
今後、MRAMにおいても、記憶容量を増加したり、装置を小型化したりするために、高密度化を図る必要があり、これによりメモリセルを構成する磁気記憶素子のさらなる縮小化が求められる。 In the future, in MRAM, it is necessary to increase the density in order to increase the storage capacity or reduce the size of the device, and further reduction of the magnetic storage elements constituting the memory cell is required.
MRAMでは、直交する2種類のアドレス配線(例えば、ワード線やビット線)のそれぞれに電流を流し、発生する電流磁場によって、アドレス配線の交点にある磁気記憶素子において、情報を記録して保持させる磁性層(記憶層)の磁化の向きを反転させることにより、情報の記録を行っている。 In the MRAM, a current is supplied to each of two types of address wirings (for example, word lines and bit lines) orthogonal to each other, and information is recorded and held in a magnetic memory element at the intersection of the address wirings by a generated current magnetic field. Information is recorded by reversing the magnetization direction of the magnetic layer (storage layer).
また、MRAMにおいて、記録された情報を読み出す方式としては、各磁気記憶素子に選択用のトランジスタを設けて、選択されたメモリセルの磁気記憶素子のみに電流を流して情報を読み出す方式と、2種類のアドレス配線に磁気記憶素子を電気的に接続し、これら2種類のアドレス配線間に電流を流して情報を読み出す方式とがある。
後者の場合、選択用のトランジスタを設けないため、構造が簡単であり、高密度の集積が可能である。
In addition, in the MRAM, as a method of reading recorded information, a method is provided in which a selection transistor is provided in each magnetic memory element and current is passed only to the magnetic memory element of the selected memory cell to read information. There is a system in which a magnetic memory element is electrically connected to different types of address wirings, and information is read by passing a current between these two types of address wirings.
In the latter case, since no selection transistor is provided, the structure is simple and high-density integration is possible.
しかし、選択用のトランジスタを設けない場合には、目的とするメモリセル以外のメモリセルの磁気記憶素子にも電流が流れることがあり、所望のメモリセルに記録された情報を精度よく読み出すのが難しくなる。 However, if a selection transistor is not provided, a current may also flow through the magnetic memory element of a memory cell other than the target memory cell, so that information recorded in a desired memory cell can be read accurately. It becomes difficult.
そこで、この問題を解決する方法として、例えば、ダイオードを設けたり(例えば、特許文献1参照)、ワード線やビット線等のアドレス配線の電位をコントロールしたり(例えば、特許文献2参照)することによって、目的とするメモリセル以外の磁気記憶素子に流れる電流を低減して、読み出し精度を上げる試みがなされている。
しかしながら、これらの方法では、ダイオードや、電位をコントロールするための回路部品等を、付加する必要があるため、構造が複雑化して、磁気記憶素子を高密度に集積した磁気メモリを実現することが困難になる。 However, in these methods, it is necessary to add a diode, a circuit component for controlling the potential, etc., so that the structure is complicated and a magnetic memory in which magnetic storage elements are integrated at a high density can be realized. It becomes difficult.
上述した問題の解決のために、本発明においては、付加する回路部品が少なく、高密度に集積化することが可能であると共に、記録された情報を精度よく読み出すことが可能な磁気メモリを提供するものである。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides a magnetic memory that can be integrated with a high density and that can read out recorded information with high accuracy, while adding fewer circuit components. To do.
本発明の磁気メモリは、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有する磁気記憶素子と、互いに交差する2種類の配線とを備え、これら2種類の配線の交点付近に磁気記憶素子が配置され、少なくとも2層以上の磁性層が、上下の磁性層の磁化の向きが互いに反平行となるように積層されて記憶層が構成され、記憶層に対して非磁性層を介して読み出し用磁性層が設けられ、2種類の配線に電流を流して、発生する電流磁界により、記憶層の磁化の向きを変化させることによって、記憶層に情報の記録が行われ、磁気記憶素子に電流を流して偏極電子を注入することにより、読み出し用磁性層の磁化の向きを反転させ、磁気記憶素子の抵抗変化を検出することによって、記憶層に記録されている情報の読み出しが行われるものである。 The magnetic memory of the present invention includes a magnetic storage element having a storage layer that holds information according to the magnetization state of a magnetic material, and two types of wirings that intersect each other, and the magnetic storage element is located near the intersection of these two types of wirings. The storage layer is configured by stacking at least two or more magnetic layers so that the magnetization directions of the upper and lower magnetic layers are antiparallel to each other, and for reading via the nonmagnetic layer with respect to the storage layer A magnetic layer is provided, current is passed through two types of wiring, and the direction of magnetization of the storage layer is changed by the generated current magnetic field, whereby information is recorded in the storage layer, and current is supplied to the magnetic storage element. The information recorded in the storage layer is read by reversing the magnetization direction of the magnetic layer for reading by flowing polarized electrons and detecting the resistance change of the magnetic storage element. is there
上述の本発明の磁気メモリの構成によれば、少なくとも2層以上の磁性層が、上下の磁性層の磁化の向きが互いに反平行となるように積層されて記憶層が構成され、記憶層に対して非磁性層を介して読み出し用磁性層が設けられていることにより、互いに反平行の向きである上下の磁性層の磁化が打ち消し合って、記憶層全体の合成磁化が小さくなり、記憶層から読み出し用磁性層への磁気的な影響が小さくなるため、読み出し用磁性層の磁化の向きを容易に変えることが可能になる。
また、磁気記憶素子に電流を流して偏極電子を注入することにより、読み出し用磁性層の磁化の向きを反転させ、磁気記憶素子の抵抗変化を検出することによって、記憶層に記録されている情報の読み出しが行われることにより、磁気記憶素子に電流を流して偏極電子を注入することによって、読み出し用磁性層の磁化の向きを変化させることができる。そして、読み出し用磁性層と記憶層との間の非磁性層の抵抗値は、記憶層のうちの読み出し用磁性層側の磁性層の磁化の向きと、読み出し用磁性層の磁化の向きとの関係によって変化するため、磁気記憶素子全体の抵抗もこれらの磁化の向きの関係により変化する。
従って、磁気記憶素子の抵抗変化を検出することにより、記憶層のうちの読み出し用磁性層側の磁性層の磁化の向きと、読み出し用磁性層の磁化の向きとの関係がわかり、これにより記憶層の磁性層の磁化の向き、即ち記録された情報の内容がわかる。
情報の読み出し時には、目的とする(読み出す対象の)磁気記憶素子の抵抗変化を検出するために、目的とする磁気記憶素子に対応する配線に電流を流す。このとき、目的としない(読み出す対象以外の)磁気記憶素子にも電流が流れることがあり得るが、目的としない磁気記憶素子に対応する配線に電流が流れたとしても、流れる電流量が少ないことから、注入される偏極電子の数が少なくなり、読み出し用磁性層の磁化の向きを変化させるに充分な量の偏極電子が注入されない。このため、磁気記憶素子の抵抗変化として観測されるのは、目的とする(読み出す対象)の磁気記憶素子の抵抗変化だけであり、目的としない(読み出す対象以外の)磁気記憶素子は寄与しない。
従って、磁気記憶素子の抵抗変化から、目的とする磁気記憶素子の記憶層に記録された情報を正確に読み出すことができる。
According to the above-described configuration of the magnetic memory of the present invention, at least two or more magnetic layers are stacked so that the magnetization directions of the upper and lower magnetic layers are antiparallel to each other, so that the storage layer is formed. On the other hand, since the magnetic layer for reading is provided via the nonmagnetic layer, the magnetizations of the upper and lower magnetic layers that are antiparallel to each other cancel each other, and the combined magnetization of the entire storage layer is reduced. Therefore, the magnetic influence on the read magnetic layer is reduced, so that the magnetization direction of the read magnetic layer can be easily changed.
Further, by recording the current in the magnetic memory element by injecting polarized electrons by injecting polarized electrons, the magnetization direction of the magnetic layer for reading is reversed and the change in resistance of the magnetic memory element is detected. By reading information, the direction of magnetization of the magnetic layer for reading can be changed by flowing a current into the magnetic memory element and injecting polarized electrons. The resistance value of the nonmagnetic layer between the read magnetic layer and the storage layer is determined by the magnetization direction of the magnetic layer on the read magnetic layer side of the storage layer and the magnetization direction of the read magnetic layer. Since the resistance varies depending on the relationship, the resistance of the entire magnetic memory element also varies depending on the relationship of the magnetization directions.
Therefore, by detecting the resistance change of the magnetic storage element, the relationship between the magnetization direction of the magnetic layer on the read magnetic layer side of the storage layer and the magnetization direction of the read magnetic layer can be understood, and the memory The direction of magnetization of the magnetic layer, that is, the content of recorded information can be known.
At the time of reading information, in order to detect a change in resistance of the target (read target) magnetic memory element, a current is passed through the wiring corresponding to the target magnetic memory element. At this time, a current may flow also in a magnetic storage element that is not intended (other than a target to be read), but even if a current flows through a wiring corresponding to the magnetic storage element that is not the purpose, the amount of current that flows is small. Therefore, the number of polarized electrons to be injected decreases, and a sufficient amount of polarized electrons to change the magnetization direction of the read magnetic layer is not injected. For this reason, only the resistance change of the target (read target) magnetic memory element is observed as the resistance change of the magnetic memory element, and the non-target (non-read target) magnetic memory element does not contribute.
Therefore, the information recorded in the storage layer of the target magnetic storage element can be accurately read from the resistance change of the magnetic storage element.
上述の本発明によれば、読み出し用磁性層の磁化の向きが比較的容易に変化するため、偏極電子の注入により、容易に磁化の向きを反転させることができる。
そして、磁気記憶素子に読み出し用磁性層を付加し、配線に情報の記録や情報の読み出しの際に必要となる電流を流すための回路部品を構成するだけで済み、付加する回路部品を少なくすることができる。
従って、高密度に集積化された磁気メモリを実現することが可能になる。
According to the above-described present invention, the magnetization direction of the read magnetic layer changes relatively easily. Therefore, the magnetization direction can be easily reversed by injecting polarized electrons .
Then, a magnetic layer for reading is added to the magnetic memory element, and it is only necessary to configure a circuit component for supplying a current necessary for recording and reading information to the wiring, and the number of added circuit components is reduced. be able to.
Therefore, it is possible to realize a magnetic memory integrated with high density.
また、本発明によれば、磁気記憶素子の抵抗変化から、目的とする(読み出し対象の)磁気記憶素子の記憶層に記録された情報を正確に読み出すことができ、記憶層に記録された情報を精度よく読み出すことができる。 Further, according to the present invention, the information recorded in the storage layer of the target (read target) magnetic storage element can be accurately read from the resistance change of the magnetic storage element, and the information recorded in the storage layer Can be read with high accuracy.
本発明の磁気メモリの実施の形態の説明に先立ち、まず一般的なMRAMの構成として、最も単純な(単純マトリクス構成の)MRAMの斜視図を図9に示す。
図中左右方向に延びるアドレス配線101と、図中前後方向に延びるアドレス配線102とが、それぞれ複数本ずつ設けられ、これら2種類のアドレス配線101,102の交差点に、記憶層を含む磁気記憶素子110が配置されている。アドレス配線101は磁気記憶素子110の上方に配置され、アドレス配線102は磁気記憶素子110の下方に配置されている。
Prior to the description of the embodiment of the magnetic memory of the present invention, FIG. 9 shows a perspective view of the simplest (simple matrix configuration) MRAM as a general MRAM configuration.
A plurality of
次に、磁気メモリの一形態の概略構成図を図1及び図2に示す。図1は、磁気メモリを構成する1単位のメモリセルの要部の概略断面図を示している。図2は、1単位のメモリセルの概略平面図を示している。 Next, a schematic configuration diagram of one embodiment of the magnetic memory is shown in FIGS. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a main part of one unit of memory cells constituting a magnetic memory. FIG. 2 is a schematic plan view of one unit memory cell.
本形態は、スイッチング特性を利用して磁気記憶素子の記憶層に情報の記録を行う磁気メモリ(例えば、米国特許出願公開第2003/0072174号明細書参照)に適用したものである This embodiment is applied to a magnetic memory (see, for example, US Patent Application Publication No. 2003/0072174) that records information in a storage layer of a magnetic storage element using switching characteristics.
図1に示すように、この磁気メモリでは、第1の磁性層1、第2の磁性層2、第3の磁性層3の3つの磁性層を有して磁気記憶素子10が構成されている。
第1の磁性層1と第2の磁性層2は、間に非磁性層4を挟んで積層され、第1の磁性層1の磁化M1と第2の磁性層2の磁化M2とが互いに反平行の向きとなるように、磁気的に結合している。
そして、第1の磁性層1、非磁性層4、第2の磁性層2の積層構造により、情報を磁化の向き(磁化状態)により保持する記憶層6が構成される。
また、第3の磁性層3は、第2の磁性層2に対して、非磁性層(絶縁層又は非磁性導電層)5を介して配置されている。
なお、図1では、磁気記憶素子10のその他の部分は図示を省略している。
As shown in FIG. 1, this magnetic memory has a
The first magnetic layer 1 and the second
The
The third
In FIG. 1, the other portions of the
第2の磁性層2と第3の磁性層3との間に挟まれた非磁性層5の材料としては、例えば、Cu等の金属材料、酸化アルミニウム等の酸化物、窒化アルミニウム等の窒化物、その他炭化物等を用いることができる。
Examples of the material of the
第1の磁性層1、第2の磁性層2、第3の磁性層3は、それぞれ単層でもよいし、異なる磁性層を積層してもよいし、非磁性層を介して磁気的に結合した複数層の磁性層を用いてもよく、磁気的な結合は強磁性的な結合でも反強磁性的な結合でもよい。
Each of the first magnetic layer 1, the second
さらに、この磁気メモリは、図2の概略平面図に示すように、図9に示したMRAMと同様に、磁気記憶素子10の上方に図中左右方向に延びる第1のアドレス配線11が配置され、磁気記憶素子10の下方に図中前後方向に延びる第2のアドレス配線12が配置されており、これら第1のアドレス配線11及び第2のアドレス配線12はほぼ直交している。
そして、第1及び第2のアドレス配線11,12の交差点に、磁気記憶素子10が配置されている。
第2のアドレス配線12は、図1に示した第3の磁性層13の下方に配置されている。
磁気記憶素子10は、その平面形状が円形状となっている。磁気記憶素子10を構成する磁性層1,2,3の磁化容易軸13は、第1のアドレス配線11に対して、傾斜角度θ(0<θ<90°)を有するように配置されている。
なお、第1のアドレス配線11及び第2のアドレス配線12は、図示しないが、メモリセルの列方向及び行方向の数に応じて、それぞれ多数本ずつ格子状に設けられている。
Further, in the magnetic memory, as shown in the schematic plan view of FIG. 2, the
A
The
The planar shape of the
Although not shown in the drawing, a large number of
この構成においては、第1の磁性層1及び第2の磁性層2に磁気的な相互作用が生じるため、一様な外部磁場の印加では、第1の磁性層1及び第2の磁性層2の磁化M1,M2を反転させることができない。
そこで、磁気記憶素子10の記憶層6に情報を記録する際には、第1の磁性層1の磁化M1及び第2の磁性層2の磁化M2の向きを反転させるために、第1のアドレス配線11及び第2のアドレス配線12に、それぞれ電流を流して、電流磁界を誘起させる。
第1のアドレス配線11による電流磁界と第2のアドレス配線12による電流磁界の合成磁界は、図示しないが、時計回りまたは反時計回りに回る回転磁界を形成する。
そして、電流磁界の印加によって、第1の磁性層1の磁化M1の向き及び第2の磁性層2の磁化M2の向きを変えることにより、記憶層6に情報(例えば、情報”1”又は情報”0”)を記録することができる。
In this configuration, since the magnetic interaction occurs in the first magnetic layer 1 and the second
Therefore, when information is recorded in the
The combined magnetic field of the current magnetic field by the
By changing the direction of the magnetization M1 of the first magnetic layer 1 and the direction of the magnetization M2 of the second
詳しくは、第1のアドレス配線11の電流と、第2のアドレス配線12の電流とに、時間差を設けて、スイッチング特性を利用して、(前述した、米国特許出願公開第2003/0072174号明細書等を参照)、第1の磁性層1の磁化M1の向き及び第2の磁性層2の磁化M2の向きを変えて、最終的には記録前の向きから反転させる。
More specifically, a time difference is provided between the current of the
なお、磁気記憶素子10を構成する磁性層1,2,3の磁化容易軸13の第1のアドレス配線11に対する傾斜角度θは、ほぼ45°とすることが望ましい。
これにより、第1のアドレス配線11及び第2のアドレス配線12の電流がいずれも片方の極性だけであっても、第1の磁性層1及び第2の磁性層2の磁化M1,M2の向きを反転させて情報の記録を行うことが可能になると共に、これら磁化M1,M2の向きの反転に必要な電流量をほぼ均等にする(一方の向きから他方の向きに反転させるときの電流量と、他方の向きから一方の向きに反転させるときの電流量とをほぼ等しくする)ことが可能になる。
It is desirable that the inclination angle θ of the
As a result, the directions of the magnetizations M1 and M2 of the first magnetic layer 1 and the second
そして、本形態では、第1の磁性層1及び第2の磁性層2を、磁化量が概ね等しい構成としている。
これにより、第1の磁性層1の磁化M1と第2の磁性層2の磁化M2とが互いに打ち消し合うため、記憶層6の合成磁化が非常に小さくなり、外部に漏洩する磁場を小さくすることができることから、第3の磁性層3に対する第1及び第2の磁性層1,2からの磁気的な影響が小さくなる。これにより、第3の磁性層3の磁化M3の向きを比較的容易に変えることが可能になる。
In this embodiment , the first magnetic layer 1 and the second
Thereby, the magnetization M1 of the first magnetic layer 1 and the magnetization M2 of the second
また、本形態では、第3の磁性層3の膜厚T3を、第1の磁性層1の膜厚T1及び第2の磁性層2の膜厚T2よりも小さく(薄く)している。第1の磁性層1の膜厚T1及び第2の磁性層2の膜厚T2は、磁化量を概ね等しくするために、ほぼ等しくなっている。
このように、第3の磁性層3を、第1の磁性層1及び第2の磁性層2よりも薄くしたことにより、これによっても、第3の磁性層3に対する第1及び第2の磁性層1,2からの磁気的な影響を小さくすることができる。
なお、第3の磁性層3の膜厚を薄くする代わりに、第3の磁性層3の平面パターン形状を、第1の磁性層1及び第2の磁性層2の平面パターン形状と異ならせる(例えば、大きくする、或いは小さくする)ことによっても、同様に第3の磁性層3に対する第1及び第2の磁性層1,2からの磁気的な影響を小さくする効果が得られる。このように、第3の磁性層3に対する第1及び第2の磁性層1,2からの磁気的な影響を小さくすると、第3の磁性層3の磁化M2を、第1の磁性層1の磁化M1及び第2の磁性層2の磁化M2に対して反転させやすくなる。
In this embodiment , the thickness T3 of the third
Thus, by making the third
Instead of reducing the thickness of the third
さらに、本形態では、特に、磁気記憶素子10の下方の第2のアドレス配線12に電流を流して電流磁界を発生させることにより、第3の磁性層3の磁化M3の向きを反転させるように構成する。
そして、第3の磁性層3を読み出し用磁性層として、この第3の磁性層3を用いて、記憶層6の第1の磁性層1及び第2の磁性層2に記録された情報を読み出す。
Further, in this embodiment , in particular, the direction of the magnetization M3 of the third
Then, the third
以下、本形態の磁気メモリにおける、記憶層6に記録された情報を読み出す動作について説明する。
ここでは、第3の磁性層3の下方の第2のアドレス配線12に流す電流の向き(極性)を変えることにより、第3の磁性層3の磁化M3の向きを変化させる。
Hereinafter, an operation of reading information recorded in the
Here, the direction of the magnetization M3 of the third
まず、第2のアドレス配線12に流す電流の向きを変えた場合の各層の磁化状態を図3A及び図3Bに示す。
なお、図3A及び図3Bでは、第3の磁性層3の磁化M3の向きは変化するが、情報を保持する記憶層6の磁化、即ち第1の磁性層1の磁化M1及び第2の磁性層2の磁化M2は変化がないものとしている。第1の磁性層1の磁化M1は図中右下向きになっており、第2の磁性層2の磁化M2は図中右上向きになっている。読み出し時に第2のアドレス配線12に流す電流を記録時の電流よりも充分小さくした場合には、このように記憶層6の磁化M1,M2の向きが変化しない。一方、読み出し時に流す電流を記録時の電流より若干小さくした場合には、記憶層6の磁化M1,M2の向きが第2のアドレス配線12からの電流磁界により変化するが、電流を停止すると元に戻る。
First, FIGS. 3A and 3B show the magnetization state of each layer when the direction of the current flowing through the
3A and 3B, the direction of the magnetization M3 of the third
図3Aでは、第2のアドレス配線12に流す電流Iの向きが図中奥から手前に向かっており、これにより左回りの電流磁場Hが発生して、第3の磁性層3の磁化M3が左下向きになる。従って、第3の磁性層3の磁化M3の向きが、第2の磁性層の磁化M2の向きと反平行になっている。
図3Bでは、第2のアドレス配線12に流す電流Iの向きが図中手前から奥に向かっており、これにより右回りの電流磁場Hが発生して、第3の磁性層3の磁化M3が右上向きになる。従って、第3の磁性層3の磁化M3の向きが、第2の磁性層の磁化M2の向きと平行になっている。
In FIG. 3A, the direction of the current I flowing through the
In FIG. 3B, the direction of the current I flowing through the
そして、第2の磁性層2と第3の磁性層3との間の非磁性層5に、適当な非磁性材料や厚さを選択すれば、第2の磁性層2の磁化M2の向きと第3の磁性層3の磁化M3の向きとの関係を、非磁性層5を介した抵抗によって検出することが可能である。
例えば、第2の磁性層2及び第3の磁性層3がCoやFe等の遷移金属を主体とした磁性層であり、間の非磁性層5に酸化アルミニウムを用いたときには、第2の磁性層2の磁化M2の向きと第3の磁性層3の磁化M3の向きが平行であるときに非磁性層5の抵抗が小さく、反平行であるときに非磁性層5の抵抗が大きくなる。
つまり図3Aが高抵抗状態、図3Bが低抵抗状態である。
Then, if an appropriate nonmagnetic material or thickness is selected for the
For example, when the second
That is, FIG. 3A is a high resistance state, and FIG. 3B is a low resistance state.
このように非磁性層5の抵抗が変化することにより、磁気記憶素子10全体の抵抗も同様に変化する。即ち、図3Aでは磁気記憶素子10の抵抗が高くなり、図3Bでは磁気記憶素子10の抵抗が低くなる。
As the resistance of the
一方、記憶層6に記録されている情報が図3とは逆である(第1の磁性層1の磁化M1が右上向きで、第2の磁性層2の磁化M2が左下向きである)ときには、第2のアドレス配線12に流す電流Iの向きに対する、磁気記憶素子10の抵抗の高低が逆転する。
即ち電流Iが図3Aと同じ(奥から手前に向かう)向きでは低抵抗になり、図3Bと同じ(手前から奥に向かう)向きでは高抵抗になる。
On the other hand, when the information recorded in the
That is, when the current I is the same as in FIG. 3A (from the back to the front), the resistance is low, and when the current I is the same as FIG. 3B (from the front to the back), the resistance is high.
そこで、本形態では、磁気記憶素子10の各磁性層1,2,3における、このような特性を利用して、記憶層6に記録された情報を読み出す。
具体的には、第2のアドレス配線12に流す電流Iを、例えば、図4Aに示すように、時間変化させる。即ち、一方の極性で一定の電流量でしばらく保持した後に、電流量と極性を変化させ、その後他方の極性で一定量の電流量でしばらく保持する。
このように電流Iを時間変化させることにより、第3の磁性層3の磁化M3の向きが反転することになる。
これにより、磁気記憶素子10の抵抗は、図4Bに示すように、時間変化する。図4Bでは、便宜的に抵抗が減る場合を“0”の情報、抵抗が増える場合を“1”の情報としている。
図4Bに示すように、記憶層6に記録された情報の内容によって、磁気記憶素子10の抵抗の変化が異なるため、これにより、記憶層6に記録された情報を読み出すことが可能になる。
Therefore, in the present embodiment , information recorded in the
Specifically, the current I flowing through the
Thus, by changing the current I with time, the direction of the magnetization M3 of the third
Thereby, the resistance of the
As shown in FIG. 4B, since the change in resistance of the
なお、第2のアドレス配線12に流す電流Iの時間変化を、図4Aとは逆にしても、同様に、記憶層6に記録された情報を読み出すことが可能になる。
In addition, even if the time change of the current I flowing through the
次に、本形態において、複数の磁気記憶素子10を配置して磁気メモリを構成した場合の読み出し動作を説明する。
ここでは、図5に平面図を示すように、縦横3個ずつ9個の磁気記憶素子10がある場合について説明する。9個の磁気記憶素子10に対応して、3本の第1のアドレス配線11(11A,11B,11C)と3本の第2のアドレス配線12(12P,12Q,12R)とが格子状に配置されている。そして、例えば、第1のアドレス配線11がビット線、第2のアドレス配線12がワード線になる。
各第2のアドレス配線12の一端には、コンデンサ13及び抵抗14が直列に接続され、微分回路15が構成されている。
Next, in this embodiment , a read operation when a plurality of
Here, as shown in a plan view in FIG. 5, a case where there are nine
A
例えば、中央の行の磁気記憶素子10(10BP,10BQ,10BR)に記録された情報の読み出しを行う場合には、第1のアドレス配線(ワード線)11のうち、読み出しを行う対象の磁気記憶素子10BP,10BQ、10BRに対応するアドレス配線11Bを選んで、一定の電位に保ちながら電流iを流して、その電流iの方向(極性)を途中で変える。
このとき、アドレス配線11Bに対応する磁気記憶素子10BP,10BQ、10BRで、第3の磁性層3の磁化M3が反転するため、それぞれの記憶層6に記録された情報に応じて磁気記憶素子10の抵抗が減少或いは増加する。
その結果、第2のアドレス配線12に接続された微分回路15により、記録された情報に応じて正又は負のパルス信号16が観測される。
For example, when reading information recorded in the magnetic memory elements 10 (10BP, 10BQ, 10BR) in the center row, the magnetic memory to be read out of the first address lines (word lines) 11 is used. The address wiring 11B corresponding to the elements 10BP, 10BQ, and 10BR is selected, the current i is supplied while maintaining a constant potential, and the direction (polarity) of the current i is changed halfway.
At this time, since the magnetization M3 of the third
As a result, a positive or
ここで、第1のアドレス配線11が選択されていない他の行の磁気記憶素子10は、第1のアドレス配線11に電流が流れない、もしくは、第1のアドレス配線11に電流が流れたとしても電流量が少なく、第3の磁性層3の磁化M3の向きを反転するのに充分な電流磁界が発生しないので、第3の磁性層3の磁化M3の向きが反転せず、磁気記憶素子10の抵抗の変化がない。
このため、観測されるパルス信号16は、選択されていない行の磁気記憶素子10の影響を受けることがなく、所望の中央の行の磁気記憶素子10の抵抗変化だけが寄与することになる。従って、目的とするメモリセルの磁気記憶素子10の情報の内容を、正確に読み出すことができる。
図5では、パルス信号16から、左右の磁気記憶素子10BP及び10BRが同じ情報であり、真ん中の磁気記憶素子10BQが異なる情報であることがわかる。
Here, in the
Therefore, the observed
In FIG. 5, it can be seen from the
このようにして、磁気記憶素子10が多数配置されて成る磁気メモリにおいても、所望のメモリセルの磁気記憶素子10に記録された情報を正確に読み出すことができる。
Thus, even in a magnetic memory in which a large number of
上述の本形態によれば、第1の磁性層1の磁化M1と第2の磁性層2の磁化M2とが、互いに向きが反平行となっており、第1の磁性層1と第2の磁性層2の磁化量が概ね等しいことにより、第1の磁性層1の磁化M1と第2の磁性層2の磁化M2が打ち消し合い、第3の磁性層3に対する第1及び第2の磁性層1,2からの磁気的な影響が小さくなるため、第3の磁性層3の磁化M3の向きを比較的容易に変えることが可能になる。
これにより、第2のアドレス配線12の電流Iによる電流磁場Hによって、第3の磁性層3の磁化M3の向きを容易に反転させることが可能になる。
According to the above-described embodiment , the magnetization M1 of the first magnetic layer 1 and the magnetization M2 of the second
As a result, the direction of the magnetization M3 of the third
そして、第3の磁性層(読み出し用磁性層)3と記憶層6との間の非磁性層5の抵抗値は、記憶層6のうちの第3の磁性層(読み出し用磁性層)3側の第2の磁性層2の磁化M2の向きと、第3の磁性層3の磁化M3の向きとの関係によって変化する。このため、磁気記憶素子10全体の抵抗も、これらの磁化M2、M3の向きの関係により変化する。
The resistance value of the
従って、第3の磁性層(読み出し用磁性層)3の磁化M3の向きを反転させることによる、磁気記憶素子10の抵抗変化を検出することにより、第2の磁性層2の磁化M2の向きと第3の磁性層3の磁化M3の向きとの関係がわかり、これにより記憶層6の磁性層1,2の磁化M1,M2の向き、即ち記憶層6に記録された情報の内容がわかる。
また、目的としないメモリセルの磁気記憶素子10では、第3の磁性層3の磁化M3の向きを変化させる(反転させる)に充分な電流磁界が発生しないため、磁気記憶素子10の抵抗変化として観測されるのは、目的とする(読み出す対象の)磁気記憶素子10の抵抗変化だけであり、他の目的としない(読み出す対象以外の)磁気記憶素子10は寄与しない。
Therefore, by detecting the resistance change of the
Further, in the
従って、本形態により、メモリセルに選択用のトランジスタを設けない、単純マトリクスの構成の磁気メモリにおいても、所望のメモリセルの磁気記憶素子10の記憶層6に記録された情報を、正確に読み出すことが可能となる。
これにより、単純マトリクスの構成を採用して、より高密度に集積化された磁気メモリを実現することが可能になる。
Therefore, according to this embodiment , even in a magnetic memory having a simple matrix configuration in which a memory cell is not provided with a selection transistor, information recorded in the
This makes it possible to realize a magnetic memory integrated with a higher density by adopting a simple matrix configuration.
続いて、本発明の磁気メモリの実施の形態を説明する。
本実施の形態では、記憶層と読み出し用磁性層との間に電流を流して、読み出し用磁性層に対して遍極電子を注入することにより、読み出し用磁性層の磁化を反転させるものである。
本発明の磁気メモリの実施の形態の概略構成図を図6に示す。図6は、磁気メモリを構成する1単位のメモリセルの要部の概略断面図を示している。
Next, an embodiment of the magnetic memory of the present invention will be described.
In this embodiment, a current is passed between the storage layer and the read magnetic layer, and unipolar electrons are injected into the read magnetic layer, thereby reversing the magnetization of the read magnetic layer. .
FIG. 6 shows a schematic configuration diagram of an embodiment of a magnetic memory of the present invention. FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of the main part of one unit of memory cells constituting the magnetic memory.
本実施の形態の磁気記憶素子20では、第1の磁性層1、第2の磁性層2、第3の磁性層3、並びに非磁性層4,5が、図1に示した磁気記憶素子10と同様の構成となっている。
また、メモリセルの概略平面図は、図2に示した形態と同様の構成とすることができる。
In the
Also, a schematic plan view of a memory cell can be the same configuration as the configuration shown in FIG.
本実施の形態では、特に、読み出し用磁性層となる第3の磁性層3の下方に、非磁性層23を介して、磁化固定層21及び反強磁性層22の積層構造が設けられている。
そして、磁化固定層21の磁化M21は、反強磁性層22により向きが図中左向きに固定されている。
このように第3の磁性層3の下方に磁化固定層21及び反強磁性層22の積層構造が設けられていることにより、磁化固定層21の作用により、第3の磁性層3の磁化M3の向きを固定することが可能になる。
本実施の形態では、磁化固定層21と第3の磁性層3とが非磁性層(例えば非磁性導電層)23を介して積層されているため、磁化固定層21及び第3の磁性層3の磁気的相互作用により、第3の磁性層3の磁化M3の向きが左向き、即ち磁化固定層21の磁化M21の向きとは反対(反平行)になっている。
そして、この第3の磁性層3の磁化M3の向きの固定は、動作時以外、即ち情報の記録や情報の読み出しをそのメモリセルに対して行っていないときになされるように構成する。
In the present embodiment, in particular, a laminated structure of a magnetization fixed
The magnetization M21 of the magnetization fixed
Thus, by providing the laminated structure of the magnetization fixed
In the present embodiment, the magnetization fixed
Then, the direction of the magnetization M3 of the third
第1の磁性層1、第2の磁性層2、第3の磁性層3、並びに磁化固定層21は、それぞれ単層でもよいし、異なる磁性層を積層してもよいし、非磁性層を介して磁気的に結合した複数層の磁性層を用いてもよく、磁気的な結合は強磁性的な結合でも反強磁性的な結合でもよい。
Each of the first magnetic layer 1, the second
以下、本実施の形態の磁気メモリにおける、記憶層6に記録された情報を読み出す動作について説明する。
本実施の形態では、アドレス配線(図示せず)を通じて、磁気記憶素子20に電流を流すことにより、磁気記憶素子20に偏極電子を注入して、第3の磁性層(読み出し用磁性層)3の磁化M3の向きを変化させる構成となっている。
Hereinafter, an operation of reading information recorded in the
In the present embodiment, the third magnetic layer (reading magnetic layer) is injected by injecting polarized electrons into the
磁性体を通った電子は、スピン偏極が生じるため、体積の小さい磁性体に体積の大きな磁性体を通して電流を流すと、体積の小さい方の磁性体の磁化が体積の大きい方の磁化と平行になるように力が働く性質を有する。 Since electrons that have passed through a magnetic material undergo spin polarization, when a current is passed through a magnetic material with a large volume through a magnetic material with a small volume, the magnetization of the magnetic material with the smaller volume is parallel to the magnetization with a larger volume. It has the property that force works to become.
そして、本実施の形態では、先の形態と同様に記憶層6が構成され、第1の磁性層1及び第2の磁性層2よりも、第3の磁性層3が薄く形成されているため、第1の磁性層1側から第3の磁性層3に向けて偏極電子を注入する(第3の磁性層3側から第1の磁性層1に向けて電流を流す)と、第2の磁性層2の磁化M2に対して、向きが平行になるように、第3の磁性層3の磁化M3に対して力が働く。
なお、第3の磁性層3を薄く形成する代わりに、第3の磁性層3の平面パターンを第1の磁性層1及び第2の磁性層2の平面パターンよりも小さくすることによっても、第3の磁性層3の体積を小さくすることができるため、同様の作用が得られる。
In this embodiment, the
Instead of forming the third
このため、一定の電流量以上になると、図7Aに示すように、第2の磁性層2の磁化M2の向きと第3の磁性層3の磁化M3の向きが反平行であった場合には、図7Bに示すように、平行になるように第3の磁性層3の磁化M3が反転する。
一方、図7Cに示すように、第2の磁性層2の磁化M2の向きと第3の磁性層3の磁化M3の向きが平行であった場合には、変化しない。
For this reason, when the current amount exceeds a certain amount, as shown in FIG. 7A, the direction of the magnetization M2 of the second
On the other hand, as shown in FIG. 7C, when the direction of the magnetization M2 of the second
そして、先の形態と同様に、第2の磁性層2の磁化M2の向きと第3の磁性層3の磁化M3の向きとの関係により、間の非磁性層5の抵抗が変化し、これにより磁気記憶素子20全体の抵抗も変化する。
従って、磁気記憶素子20に電流を流して、電流量の変化による電圧の変化を検出すれば、それぞれの状態を分離することができるため、これにより記憶層6に記録された情報を読み出すことが可能である。
ここで、電流の変化による電圧の変化を図8に示す。曲線Aは図7A及び図7Bに示した場合の変化であり、曲線Bは図7Cに示した場合の変化である。曲線Aでは、一定の電流量以上で、低抵抗に変化していることがわかる。
As in the previous embodiment , the resistance of the
Therefore, if a current is passed through the
Here, a change in voltage due to a change in current is shown in FIG. Curve A is a change in the case shown in FIGS. 7A and 7B, and curve B is a change in the case shown in FIG. 7C. In the curve A, it turns out that it changes to low resistance more than fixed current amount.
また、本実施の形態の構成によっても、複数の磁気記憶素子20を配置して磁気メモリを構成した場合に、目的とする(読み出し対象の)磁気記憶素子20の記憶層6に記録された情報を正確に読み出すことができる。
本実施の形態では、回路構成は、図5に示した形態の構成とは若干異なるが、交差する2種類のアドレス配線から目的とする(読み出し対象の)磁気記憶素子20に電流が流れ、かつ磁気記憶素子20の両端の電圧が観測できるように構成すればよく、付加する回路部品は比較的少なくて済む。
Also in the configuration of the present embodiment, when a magnetic memory is configured by arranging a plurality of
In the present embodiment, the circuit configuration is slightly different from the configuration shown in FIG. 5, but current flows from the two types of intersecting address wirings to the target (read target)
そして、目的とする(読み出し対象の)磁気記憶素子20には、アドレス配線から第3の磁性層(読み出し用磁性層)3の磁化M3の向きを反転するに充分な偏極電子を注入できるような電流量が流れるため、第3の磁性層3の磁化M3の向きの反転が可能であり、磁気記憶素子20の抵抗が変化する。
一方、目的としない(読み出し対象以外の)磁気記憶素子20には、電流が流れない、もしくは、電流が流れたとしても電流量が少なく、第3の磁性層(読み出し用磁性層)3の磁化M3の向きを反転するに充分な偏極電子を注入することができないので、第3の磁性層3の磁化M3の向きが反転せず、磁気記憶素子20の抵抗の変化がない。
このため、観測される抵抗変化(図8に示す電圧変化)は、目的としない磁気記憶素子20の影響を受けることがなく、所望の磁気記憶素子20の抵抗変化だけが寄与することになる。従って、目的とするメモリセルの磁気記憶素子20の情報の内容を、正確に読み出すことができる。
The target magnetic memory element 20 (to be read) can be injected with polarized electrons sufficient to reverse the direction of the magnetization M3 of the third magnetic layer (reading magnetic layer) 3 from the address wiring. Since a large amount of current flows, the direction of the magnetization M3 of the third
On the other hand, in the
For this reason, the observed resistance change (voltage change shown in FIG. 8) is not affected by the undesired
上述の本実施の形態によれば、先の形態と同様に、第1の磁性層1の磁化M1と第2の磁性層2の磁化M2が打ち消し合い、第3の磁性層3に対する第1及び第2の磁性層1,2からの磁気的な影響が小さくなるため、第3の磁性層3の磁化M3の向きを比較的容易に変えることが可能になる。
これにより、磁気記憶素子20に流す電流に伴う偏極電子の注入によって、第3の磁性層3の磁化M3の向きを容易に反転させることが可能になる。
According to the present embodiment described above, similarly to the previous embodiment , the magnetization M1 of the first magnetic layer 1 and the magnetization M2 of the second
This makes it possible to easily reverse the direction of the magnetization M3 of the third
そして、第3の磁性層(読み出し用磁性層)3と記憶層6との間の非磁性層5の抵抗値は、記憶層6のうちの第3の磁性層(読み出し用磁性層)3側の第2の磁性層2の磁化M2の向きと、第3の磁性層3の磁化M3の向きとの関係によって変化する。このため、磁気記憶素子20全体の抵抗も、これらの磁化M2、M3の向きの関係により変化する。
The resistance value of the
従って、第3の磁性層(読み出し用磁性層)3の磁化M3の向きを反転させることによる、磁気記憶素子20の抵抗変化を検出することにより、第2の磁性層2の磁化M2の向きと第3の磁性層3の磁化M3の向きとの関係がわかり、これにより記憶層6の磁性層1,2の磁化M1,M2の向き、即ち記憶層6に記録された情報の内容がわかる。
また、目的としないメモリセルの磁気記憶素子20では、第3の磁性層3の磁化M3の向きを変化させる(反転させる)に充分な偏極電子を発生するような電流量の電流が流れないため、磁気記憶素子20の抵抗変化として観測されるのは、目的とする(読み出す対象の)磁気記憶素子20の抵抗変化だけであり、他の目的としない(読み出す対象以外の)磁気記憶素子20は寄与しない。
Accordingly, by detecting the change in resistance of the
Further, in the
従って、本実施の形態により、メモリセルに選択用のトランジスタを設けない、単純マトリクスの構成の磁気メモリにおいても、所望のメモリセルの磁気記憶素子20の記憶層6に記録された情報を、正確に読み出すことが可能となる。
これにより、単純マトリクスの構成を採用して、より高密度に集積化された磁気メモリを実現することが可能になる。
Therefore, according to the present embodiment, the information recorded in the
This makes it possible to realize a magnetic memory integrated with a higher density by adopting a simple matrix configuration.
また、本実施の形態によれば、第3の磁性層3の下方に、磁化固定層21及び反強磁性層22の積層構造を設けたことにより、動作時以外(情報の記録や情報の読み出しをそのメモリセルに対して行っていないとき)に第3の磁性層3の磁化M3の向きが固定されている構成としているため、偏極電子の注入による第3の磁性層3の磁化M3の向きの反転を、固定された向きから反転させるだけで行うことができ、偏極電子の注入を行うために磁気記憶素子20に流す電流の向きを一方だけにすることができる。
これにより、磁気メモリの回路構成を簡略化することが可能になる。
In addition, according to the present embodiment, the laminated structure of the magnetization fixed
As a result, the circuit configuration of the magnetic memory can be simplified.
なお、第3の磁性層3の下方に、磁化固定層21及び反強磁性層22の積層構造を設けた構成は、先の形態の磁気記憶素子10の構成にも適用することが可能である。その場合、第2のアドレス配線12と第3の磁性層3との間に、磁化固定層21及び反強磁性層22の積層構造を設ける。これにより、第2のアドレス配線12から電流磁界を発生させて第3の磁性層3の磁化M3の向きを反転させるための電流の向きを一方だけにして、磁気メモリの回路構成を簡略化することが可能になる。
Note that the configuration in which the stacked structure of the magnetization fixed
また、磁化固定層21及び反強磁性層22の積層構造を設ける代わりに、上述の実施の形態において、外部磁界によって、動作時以外は、第3の磁性層(読み出し用磁性層)3の磁化M3の向きを固定することも可能である。このように、外部磁界により動作時以外は第3の磁性層3の磁化M3の向きを固定することによっても、磁気メモリの回路構成を簡略化することが可能になる。
Further, instead of providing the laminated structure of the magnetization fixed
上述の実施の形態では、磁気記憶素子に電流磁界を印加するための2種類の配線11,12が直交する構成であったが、本発明は、2種類の配線が斜めに交差する場合も含む。
また、上述の実施の形態では、各メモリセルの磁気記憶素子が2種類の配線の交点に配置されていたが、本発明は、2種類の交点の近傍(交点付近)に磁気記憶素子が配置されている場合も含む。
In the above-described embodiment, the two types of
In the above-described embodiment, the magnetic memory element of each memory cell is arranged at the intersection of two types of wiring. However, in the present invention, the magnetic memory element is arranged near the two types of intersection (near the intersection). This includes cases where
上述の実施の形態では、記憶層を、第1の磁性層及び第2の磁性層の2層の磁性層により構成したが、3層以上の磁性層によって記憶層を構成してもよい。
例えば、第1の磁性層及び第2の磁性層それぞれが磁気的相互作用により反平行に磁気的結合した複数層の磁性層からなる構成、即ち、例えば上下の磁性層の磁化の向きが反平行になるように磁気的結合した4層や6層の磁性層を有する構成としてもよい。
また例えば、3層以上の磁性層が磁気的結合して、上下の磁性層の磁化の向きが反平行になっている、即ち磁化の向きが互い違いになっている構成としてもよい。
In the above-described embodiment , the storage layer is configured by the two magnetic layers of the first magnetic layer and the second magnetic layer. However, the storage layer may be configured by three or more magnetic layers.
For example, each of the first magnetic layer and the second magnetic layer is composed of a plurality of magnetic layers magnetically coupled in antiparallel by magnetic interaction, that is, for example, the magnetization directions of the upper and lower magnetic layers are antiparallel. It may be configured to have four or six magnetic layers magnetically coupled so as to be.
Further, for example, three or more magnetic layers may be magnetically coupled so that the magnetization directions of the upper and lower magnetic layers are antiparallel, that is, the magnetization directions are staggered.
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various other configurations can be taken without departing from the gist of the present invention.
1 第1の磁性層、2 第2の磁性層、3 第3の磁性層、4,5,23 非磁性層、6 記憶層、10,20 磁気記憶素子、11 第1のアドレス配線、12 第2のアドレス配線、21 磁化固定層、22 反強磁性層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st magnetic layer, 2nd 2nd magnetic layer, 3rd 3rd magnetic layer, 4, 5, 23 Nonmagnetic layer, 6 Storage layer, 10, 20 Magnetic storage element, 11 1st address wiring, 12
Claims (2)
互いに交差する2種類の配線とを備え、
前記2種類の配線の交点付近に前記磁気記憶素子が配置され、
少なくとも2層以上の磁性層が、上下の磁性層の磁化の向きが互いに反平行となるように積層されて前記記憶層が構成され、
前記記憶層に対して、非磁性層を介して、読み出し用磁性層が設けられ、
前記2種類の配線に電流を流して、発生する電流磁界により、前記記憶層の磁化の向きを変化させることによって、前記記憶層に情報の記録が行われ、
前記磁気記憶素子に電流を流して偏極電子を注入することにより、前記読み出し用磁性層の磁化の向きを反転させ、前記磁気記憶素子の抵抗変化を検出することによって、前記記憶層に記録されている情報の読み出しが行われる
磁気メモリ。 A magnetic storage element having a storage layer for holding information by the magnetization state of the magnetic material;
Two types of wiring intersecting each other,
The magnetic memory element is arranged near the intersection of the two types of wiring;
The storage layer is configured by laminating at least two or more magnetic layers so that the magnetization directions of the upper and lower magnetic layers are antiparallel to each other,
A read magnetic layer is provided to the storage layer via a nonmagnetic layer,
Information is recorded in the storage layer by passing a current through the two types of wiring and changing the magnetization direction of the storage layer by a generated magnetic field.
A current is passed through the magnetic memory element to inject polarized electrons, thereby reversing the magnetization direction of the read magnetic layer and detecting a change in resistance of the magnetic memory element. Reads the information that is being read from the magnetic memory.
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