JP4970113B2 - Magnetoresistive element and magnetic memory - Google Patents
Magnetoresistive element and magnetic memoryInfo
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Description
本発明は、磁気抵抗素子及び磁気メモリに係り、例えば双方向に電流を供給することで情報を記録することが可能な磁気抵抗素子及び磁気メモリに関する。 The present invention relates to a magnetoresistive element and a magnetic memory, and more particularly to a magnetoresistive element and a magnetic memory capable of recording information by supplying a current in both directions.
強磁性体を用いた磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM:Magnetic Random Access Memory)は、不揮発性、高速動作、大容量、低消費電力を備えた不揮発性メモリとして期待されている。MRAMは、トンネル磁気抵抗(TMR:Tunneling Magnetoresistive)効果を利用するMTJ(Magnetic Tunnel Junction)素子を記憶素子として備え、このMTJ素子の磁化状態により情報を記憶する。 Magnetic random access memory (MRAM) using a ferromagnetic material is expected as a non-volatile memory having non-volatility, high-speed operation, large capacity, and low power consumption. The MRAM includes an MTJ (Magnetic Tunnel Junction) element that uses a tunneling magnetoresistive (TMR) effect as a storage element, and stores information according to the magnetization state of the MTJ element.
従来型の配線電流による磁場で書き込みを行なうMRAMにおいては、微細化に伴い配線に流すことのできる電流値が減少するために、MTJ素子に十分な電流磁場を供給することが困難になる。さらに、MTJ素子に情報を記録するために必要とする電流磁場の大きさは、微細化に伴い増加する。このため、従来型のMRAMでは、126Mbits〜256Mbits世代で原理的な限界が来ると考えられている。 In a conventional MRAM in which writing is performed with a magnetic field due to a wiring current, the current value that can be passed through the wiring is reduced with miniaturization, so that it is difficult to supply a sufficient current magnetic field to the MTJ element. Furthermore, the magnitude of the current magnetic field required for recording information on the MTJ element increases with miniaturization. For this reason, it is considered that the conventional MRAM has a theoretical limit in the 126 Mbits to 256 Mbits generation.
そこで、スピン角運動量移動(SMT:Spin Momentum Transfer)を利用した書き込み方式を用いたMRAMが提案されている(例えば、特許文献1)。スピン角運動量移動(以下、スピン注入という)による磁化反転は、素子を微細化しても、磁化反転に必要な電流密度の大きさはほとんど増加しないため、高効率な書き込みが可能であるという利点を有している。
本発明は、自由層に高効率にスピントルクを与えることにより、磁化反転に必要な電流密度をより低減することが可能な磁気抵抗素子及び磁気メモリを提供する。 The present invention provides a magnetoresistive element and a magnetic memory that can further reduce the current density required for magnetization reversal by applying spin torque to a free layer with high efficiency.
本発明の一視点に係る磁気抵抗素子は、膜面に垂直な磁化を有し、磁化の方向が変化する第1の自由層と、膜面に垂直な磁化を有し、磁化の方向が固定された固定層と、前記第1の自由層と前記固定層との間に設けられ、磁化の方向が前記第1の自由層の磁化の方向と独立して変化し、自身が持つスピン拡散長以下の膜厚を有する第2の自由層と、前記第1の自由層と前記第2の自由層との間に設けられた第1の非磁性層と、前記第2の自由層と前記固定層との間に設けられた第2の非磁性層とを具備する。そして、前記第1の自由層の磁気異方性定数Ku1と活性化体積V1との積Ku1×V1と、前記第2の自由層の磁気異方性定数Ku2と活性化体積V2との積Ku2×V2との関係が、Ku1×V1>Ku2×V2を満たし、前記第1及び第2の非磁性層はそれぞれ、酸化物、窒化物、フッ化物、セレン化物、或いは化合物半導体からなる。前記第1の自由層から前記固定層へ電子を流して、前記固定層と前記第1の自由層との磁化を平行状態から反平行状態にする第1の書き込み動作は、前記第2の自由層の磁化が前記固定層の磁化と平行になるステップと、前記第1の自由層の磁化が前記第2の自由層の磁化と反平行になるステップとを含む。前記固定層から前記第1の自由層へ電子を流して、前記固定層と前記第1の自由層との磁化を反平行状態から平行状態にする第2の書き込み動作は、前記第2の自由層の磁化が前記固定層の磁化と平行になるステップと、前記第1の自由層の磁化が前記第2の自由層の磁化と平行になるステップとを含む。 A magnetoresistive element according to one aspect of the present invention has a first free layer having a magnetization perpendicular to the film surface and the direction of magnetization changed, and a magnetization perpendicular to the film surface, the magnetization direction being fixed. A spin diffusion length that is provided between the first free layer and the first free layer, the magnetization direction of which is independent of the magnetization direction of the first free layer, A second free layer having the following thickness; a first nonmagnetic layer provided between the first free layer and the second free layer; the second free layer; And a second nonmagnetic layer provided between the layers. Then, the product Ku1 × V1 of the magnetic anisotropy constant Ku1 of the first free layer and the activation volume V1, and the product Ku2 of the magnetic anisotropy constant Ku2 of the second free layer and the activation volume V2. The relationship with × V2 satisfies Ku1 × V1> Ku2 × V2, and the first and second nonmagnetic layers are each made of oxide, nitride, fluoride, selenide, or compound semiconductor . A first write operation in which electrons flow from the first free layer to the fixed layer to change the magnetization of the fixed layer and the first free layer from a parallel state to an antiparallel state is performed by the second free layer. Including a step in which the magnetization of the layer is parallel to the magnetization of the fixed layer, and the magnetization of the first free layer is antiparallel to the magnetization of the second free layer. The second write operation in which electrons flow from the fixed layer to the first free layer to change the magnetization of the fixed layer and the first free layer from an antiparallel state to a parallel state is performed by the second free operation. Including a step in which the magnetization of the layer is parallel to the magnetization of the pinned layer and the magnetization of the first free layer is parallel to the magnetization of the second free layer.
本発明の一視点に係る磁気メモリは、前記磁気抵抗素子と、前記磁気抵抗素子を挟むように設けられ、かつ前記磁気抵抗素子に対して通電を行う第1及び第2の電極とを含むメモリセルを具備する。
The magnetic memory according to an aspect of the present invention, a memory comprising said magnetoresistive element, wherein provided so as to sandwich the magnetoresistive element, and the first and second electrodes performing the energization to said magnetoresistive element A cell is provided.
本発明によれば、自由層に高効率にスピントルクを与えることにより、磁化反転に必要な電流密度をより低減することが可能な磁気抵抗素子及び磁気メモリを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a magnetoresistive element and a magnetic memory that can further reduce the current density required for magnetization reversal by applying spin torque to the free layer with high efficiency.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, elements having the same function and configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be given only when necessary.
(第1の実施形態)
スピン注入磁化反転を用いて1Gビット級のMRAMを実現するためには数十μA以下の電流値で磁化を反転させる必要がある。例えば磁気抵抗素子のサイズを、幅が45nmでアスペクト比が2の矩形と仮定すると、面積は4,000nm2程度になる。また、トランジスタに流すことのできる電流値を仮に100μА程度とすると、磁気抵抗素子に流すことのできる電流密度の最大値は、2.5×106А/cm2程度と見積もられる。
(First embodiment)
In order to realize a 1 Gbit class MRAM using spin injection magnetization reversal, it is necessary to reverse the magnetization with a current value of several tens of μA or less. For example, assuming that the magnetoresistive element is a rectangle having a width of 45 nm and an aspect ratio of 2, the area is about 4,000 nm 2 . If the current value that can be passed through the transistor is about 100 μA, the maximum value of the current density that can be passed through the magnetoresistive element is estimated to be about 2.5 × 10 6 A / cm 2 .
一方、1996年にSloncewskiが提唱したスピントルクモデルに基づき、近年、高いMR(Magnetoresistance)比が得られているCoFeB/MgO/CoFeBの磁化反転電流密度Jcを計算すると、Jcは1×107A/cm2程度と予想される。ここで、減衰定数0.01、飽和磁化1300emu/cc、スピン分極率0.5、磁気異方性磁場30Oe、熱ゆらぎ耐性(KuV/KbT)=100を用いた。Kuは磁気異方性定数、Vは活性化体積、Tは温度、KbTは熱振動エネルギーである。MRAMとしてスピントルクを用いた磁化反転を実用化するためには、電流密度Jcを半減以下にする必要がある。 On the other hand, when the magnetization reversal current density Jc of CoFeB / MgO / CoFeB, which has recently obtained a high MR (Magnetoresistance) ratio, is calculated based on the spin torque model proposed by Slancewski in 1996, Jc is 1 × 10 7 A / Cm 2 is expected. Here, an attenuation constant of 0.01, a saturation magnetization of 1300 emu / cc, a spin polarizability of 0.5, a magnetic anisotropic magnetic field of 30 Oe, and a thermal fluctuation resistance (KuV / KbT) = 100 were used. Ku is the magnetic anisotropy constant, V is the activation volume, T is the temperature, and KbT is the thermal vibration energy. In order to put magnetization reversal using spin torque into practical use as an MRAM, the current density Jc needs to be halved or less.
スピントルクモデルによれば、電流密度Jcは、磁性膜セルの飽和磁化、活性化体積、異方性磁界、スピン分極率、及び減衰定数に依存する。スピン分極率を除く各種制御因子による電流密度Jcの低減は、反転時間の増大、及び熱揺らぎ耐性の低下を招くため、これら因子による電流密度Jcの低減には限界がある。スピン分極率Pに関しては、磁性層にハーフメタルを使用することによってP=1になると提唱されているが、未だ室温で実現したという報告はない。 According to the spin torque model, the current density Jc depends on the saturation magnetization, activation volume, anisotropic magnetic field, spin polarizability, and damping constant of the magnetic film cell. Reduction of the current density Jc by various control factors other than the spin polarizability leads to an increase in inversion time and a decrease in resistance to thermal fluctuations. Therefore, there is a limit to the reduction of the current density Jc by these factors. Regarding the spin polarizability P, it has been proposed that P = 1 by using a half metal in the magnetic layer, but there is no report that it has been realized at room temperature.
そこで、一般的なトンネル磁気抵抗効果が得られる、自由層、トンネルバリア層、及び固定層の構造において、トンネルバリア層と自由層との間に自由層より磁気異方性エネルギーUが小さい磁性層を挟み込む構造を用いることによってスピントランスファー効率を向上させる構造を発明した。 Therefore, in a structure of a free layer, a tunnel barrier layer, and a fixed layer in which a general tunnel magnetoresistance effect can be obtained, a magnetic layer having a smaller magnetic anisotropy energy U than the free layer between the tunnel barrier layer and the free layer We have invented a structure that improves the spin transfer efficiency by using a structure that sandwiches.
図1は、本発明の第1の実施形態に係るMTJ素子(磁気抵抗素子)10の構成を示す断面図である。図中の矢印は、磁化の方向を示している。MTJ素子10は、固定層(或いは、ピン層ともいう)11、トンネルバリア層(非磁性層)12、第2の自由層13、トンネルバリア層(非磁性層)14、第1の自由層(或いは、フリー層、記録層ともいう)15が順に積層された積層構造を有する。なお、この積層構造は、積層順序が逆転していても構わない。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of an MTJ element (magnetoresistance element) 10 according to the first embodiment of the present invention. The arrows in the figure indicate the direction of magnetization. The
本実施形態では、シングルピン層構造(自由層に対して固定層が1つ配置される構造)を有するMTJ素子10を例に説明する。しかし、これに限定されるものではなく、デュアルピン層構造(自由層の両側にそれぞれ2つの固定層が配置される構造)を有する磁気抵抗素子に適用することも可能である。
In the present embodiment, an
固定層11は、磁化(或いは、スピン)の方向が固着されている。第1の自由層15及び第2の自由層13は、磁化の方向が変化(反転)する。固定層11、第2の自由層13、及び第1の自由層15の容易磁化方向はそれぞれ、膜面に対して垂直である(以下、垂直磁化という)。すなわち、MTJ素子10は、固定層11、第2の自由層13、及び第1の自由層15の磁化の方向が膜面に対して垂直方向を向く、いわゆる垂直磁化型MTJ素子である。なお、本実施形態は、垂直磁化に限定されるものではなく、固定層11、第2の自由層13、及び第1の自由層15の容易磁化方向が膜面に対して面内であっても良い(以下、面内磁化という)。
The
なお、容易磁化方向とは、あるサイズの強磁性体を想定して、外部磁界のない状態で自発磁化がその方向を向くと最も内部エネルギーが低くなる方向である。困難磁化方向とは、あるサイズの強磁性体を想定して、外部磁界のない状態で自発磁化がその方向を向くと最も内部エネルギーが大きくなる方向である。 Note that the easy magnetization direction is a direction in which the internal energy is lowest when the spontaneous magnetization is directed in a state without an external magnetic field, assuming a certain size of ferromagnetic material. The difficult magnetization direction is a direction in which the internal energy is maximized when the spontaneous magnetization is directed in a state without an external magnetic field, assuming a ferromagnetic material of a certain size.
ところで、第1の自由層15の磁性材料の磁気異方性定数Ku1と活性化体積V1との積(磁気異方性エネルギーU1)と、第2の自由層13の磁性材料の磁気異方性定数Ku2と活性化体積V2との積(磁気異方性エネルギーU2)とは、U1>U2の関係を有する。このような関係を満たすことにより、MTJ素子10に書き込み電流が供給された場合、第2の自由層13は、第1の自由層15よりも早く磁化反転が起きることになる。本実施形態では、MTJ素子10にデータが書き込まれた場合に、データに応じた磁化状態は、第1の自由層15に記録される。第2の自由層13は、データ書き込み及び読み出し時に、電子スピンをフィルターするための層として機能する。
Incidentally, the product (magnetic anisotropy energy U1) of the magnetic anisotropy constant Ku1 of the magnetic material of the first
例えば、第1の自由層15と第2の自由層13とに同じ材料を用い、第1の自由層15の膜厚t1と第2の自由層13の膜厚t2とがt1>t2の関係を有するように設計すれば、U1>U2となる第1の自由層15と第2の自由層13とを作製することができる。また、第1の自由層15と第2の自由層13とが同じ材料でなくても良い。その場合、第1の自由層15と第2の自由層13との飽和磁化、或いは結晶磁気異方性を調整して、U1>U2の関係を満たすようにすれば良い。
For example, the same material is used for the first
固定層11及び第1の自由層15としては、強磁性体が用いられ、例えば、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、白金(Pt)、マンガン(Mn)、パラジウム(Pd)、クロム(Cr)のうち1つ以上の元素を含む強磁性体が用いられる。
As the
垂直磁化型MTJ素子の場合、強磁性体としては例えば、Fe50Pt50、Fe50Pd50、Co50Pt50、Co50Pd50、Fe30Ni20Pt50、Co30Fe20Pt50、Co30Ni20Pt50、Mn50Al50、或いはFe50Ni50の規則合金があげられる。これらの規則合金の組成比は一例であり、上記組成比に限定されない。なお、これらの規則合金に、Cu(銅)、Zn(亜鉛)、Ag(銀)、Ni(ニッケル)、Co(コバルト)、Fe(鉄)、Mn(マンガン)、Cr、(クロム)、V(バナジウム)、Ti(チタン)、Os(オスミウム)等の不純物元素若しくはその合金、又は絶縁物を加えて磁気異方性エネルギー、及び飽和磁化を低く調整することができる。また、組成比を調整することによってL12型の規則合金を用いても良い。 In the case of a perpendicular magnetization type MTJ element, examples of the ferromagnetic material include Fe 50 Pt 50 , Fe 50 Pd 50 , Co 50 Pt 50 , Co 50 Pd 50 , Fe 30 Ni 20 Pt 50 , Co 30 Fe 20 Pt 50 , Co Examples thereof include 30 Ni 20 Pt 50 , Mn 50 Al 50 , and Fe 50 Ni 50 ordered alloys. The composition ratio of these ordered alloys is an example, and is not limited to the above composition ratio. These ordered alloys include Cu (copper), Zn (zinc), Ag (silver), Ni (nickel), Co (cobalt), Fe (iron), Mn (manganese), Cr, (chromium), V By adding an impurity element such as (vanadium), Ti (titanium), Os (osmium) or an alloy thereof, or an insulator, magnetic anisotropy energy and saturation magnetization can be adjusted to be low. It is also possible to use a L1 2 type ordered alloy by adjusting the composition ratio.
自由層15として例えば膜厚3nm程度のFe50Pt50を用い、固定層11も同様にFe50Pt50を用いた場合、固定層11は、自由層15に比べ磁化反転電流が大きくなければならないので、自由層15の膜厚より厚くする必要がある。例えば10〜20nmの膜厚を用いれば、情報の書き込み時に磁化の方向が反転しない固定層11として用いることができる。
Using Fe 50 Pt 50 about as a
固定層11に必要となる条件は、自由層15より異方性磁界が大きい、飽和磁化が大きい、膜厚が厚い、減衰定数が大きい、これら条件のいずれか一つ若しくは複数の条件を満たせば良いので、Fe50Pt50の他に、自由層15より膜厚が厚いL10型の結晶材料、L12型の結晶材料を用いても良い。また、自由層15及び固定層11の磁性材料としては下記(1)〜(3)の材料を用いることも可能である。
The conditions required for the fixed
(1)不規則合金
Co(コバルト)を主成分とし、Cr(クロム)、Ta(タンタル)、Nb(ニオブ)、V(バナジウム)、W(タングステン)、Hf(ハフニウム)、Ti(チタン)、Zr(ジルコニウム)、Pt(白金)、Pd(パラジウム)、Fe(鉄)、Ni(ニッケル)のうち1つ以上の元素を含む合金。例えば、CoCr合金、CoPt合金、CoCrTa合金、CoCrPt合金、CoCrPtTa合金、CoCrNb合金等があげられる。これらの合金は、非磁性元素の割合を増加させて磁気異方性エネルギー、及び飽和磁化を調整することができる。
(1) Irregular alloy Co (cobalt) as the main component, Cr (chromium), Ta (tantalum), Nb (niobium), V (vanadium), W (tungsten), Hf (hafnium), Ti (titanium), An alloy containing one or more elements of Zr (zirconium), Pt (platinum), Pd (palladium), Fe (iron), and Ni (nickel). Examples thereof include a CoCr alloy, a CoPt alloy, a CoCrTa alloy, a CoCrPt alloy, a CoCrPtTa alloy, and a CoCrNb alloy. These alloys can adjust the magnetic anisotropy energy and saturation magnetization by increasing the proportion of nonmagnetic elements.
(2)人工格子
Fe(鉄)、Co(コバルト)、Ni(ニッケル)のうちいずれか1つの元素或いは1つ以上の元素を含む合金と、Cr(クロム)、Pt(白金)、Pd(パラジウム)、Ir(イリジウム)、Rh(ロジウム)、Ru(ルテニウム)、Os(オスミウム)、Re(レニウム)、Au(金)、Cu(銅)のうちいずれか1つの元素或いは1つ以上の元素を含む合金とが交互に積層された積層膜。例えば、Co/Pt人工格子、Co/Pd人工格子、CoCr/Pt人工格子、Co/Ru人工格子、Co/Os人工格子、Co/Au人工格子、Ni/Cu人工格子等があげられる。これらの人工格子は、磁性層への元素の添加、磁性層と非磁性層との膜厚比を調整することで、磁気異方性エネルギー、及び飽和磁化を調整することができる。
(2) Artificial lattice Fe (iron), Co (cobalt), Ni (nickel) any one element or an alloy containing one or more elements, Cr (chromium), Pt (platinum), Pd (palladium) ), Ir (iridium), Rh (rhodium), Ru (ruthenium), Os (osmium), Re (rhenium), Au (gold), Cu (copper), or one or more elements. A laminated film in which alloys containing it are alternately laminated. Examples thereof include a Co / Pt artificial lattice, a Co / Pd artificial lattice, a CoCr / Pt artificial lattice, a Co / Ru artificial lattice, a Co / Os artificial lattice, a Co / Au artificial lattice, and a Ni / Cu artificial lattice. These artificial lattices can adjust magnetic anisotropy energy and saturation magnetization by adjusting the addition of elements to the magnetic layer and adjusting the film thickness ratio of the magnetic layer and the nonmagnetic layer.
(3)フェリ磁性体
希土類金属と遷移金属との合金からなるフェリ磁性体。例えば、Tb(テルビウム)、Dy(ジスプロシウム)、Gd(ガドリニウム)のうち1つ以上の元素と、遷移金属のうち1つ以上の元素とからなるアモルファス合金。具体的には、TbFe合金、TbCo合金、TbFeCo合金、DyTbFeCo合金、GdTbCo合金等があげられる。これらの合金は、組成比を調整することで磁気異方性エネルギー、及び飽和磁化を調整することができる。
(3) Ferrimagnetic material A ferrimagnetic material made of an alloy of a rare earth metal and a transition metal. For example, an amorphous alloy composed of one or more elements of Tb (terbium), Dy (dysprosium), and Gd (gadolinium) and one or more elements of a transition metal. Specific examples include TbFe alloys, TbCo alloys, TbFeCo alloys, DyTbFeCo alloys, GdTbCo alloys, and the like. These alloys can adjust magnetic anisotropy energy and saturation magnetization by adjusting the composition ratio.
一方、面内磁化型のMTJ素子の場合、自由層15としては2nm程度のFe、Co,Niのうち1つ以上の元素或いはこの1つの元素を含む合金からなる磁性金属からなっていても良い。又は、スピン分極率の大きいマグネタイト、CrO2、RXMnO3-y(R:希土類元素、X:Ca(カルシウム)、Ba(バリウム)、Sr(ストロンチウム))等の酸化物の他、NiMnSb、PtMnSb等のホイスラー合金等を用いても良い。また、これら金属には、飽和磁化、結晶磁気異方性、及び減衰定数等を調整する意味で、強磁性を失わない範囲でAg(銀)、Cu(銅)、Au(金)、Al(アルミニウム)、Mg(マグネシウム)、Si(シリコン)、Bi(ビスマス)、Ta(タンタル)、B(ホウ素)、C(炭素)、O(酸素)、N(窒素)、Pd(パラジウム)、Pt(白金)、Zr(ジルコニウム)、Ir(イリジウム)、W(タングステン)、Mo(モリブデン)、Nb(ニオブ)等の非磁性元素を含んでいても良い。
On the other hand, in the case of an in-plane magnetization type MTJ element, the
固定層11としては、Fe、Co,Niのうち1つ以上の元素或いはこの1つの元素を含む合金からなる磁性金属からなっていても良い。又は、スピン分極率の大きいマグネタイト、CrO2、RXMnO3-y(R:希土類元素、X:Ca、Ba、Sr)等の酸化物の他、NiMnSb、PtMnSb等のホイスラー合金等を用いても良い。また、これら金属には、飽和磁化、結晶磁気異方性、及び減衰定数等を調整する意味で、強磁性を失わない範囲でAg、Cu、Au、Al、Mg、Si、Bi、Ta、B、C、O、N、Pd、Pt、Zr、Ir、W、Mo、Nb等の非磁性元素を含んでも良い。但し、固定層11としては、第1の自由層15より反転電流の大きな磁性層が用いられる。
The fixed
スピン偏極した電子によって磁化反転を起こす場合、その反転電流は飽和磁化、異方性磁界、及び体積に比例するため、これらを適切に調整して、第1の自由層15と固定層11との反転電流に差をつけることで、固定層11の磁化の方向を固定することができる。また、固定層15に反強磁性層(PtMn、IrMn、或いはFeMn等)を付加して、固定層11の磁化の方向を固定するようにしても良い。
When the magnetization reversal is caused by spin-polarized electrons, the reversal current is proportional to the saturation magnetization, the anisotropic magnetic field, and the volume. Therefore, these are appropriately adjusted so that the first
第2の自由層13としては、第1の自由層15の材料として本実施例で挙げた強磁性体を自由に選択することが可能である。但し、U1>U2の関係を満たす第1の自由層15と第2の自由層13との材料の選択が必要である。例えば、第2の自由層13に第1の自由層15と同じ材料を用いる場合は第2の自由層13の膜厚を第1の自由層15の膜厚より薄く設計すれば良い。また、第2の自由層13は、室温かつ外部磁場がゼロの状態において磁化がゼロとなる、いわゆる常磁性体であっても良い。
As the second
また、第2の自由層13は、グラニュラー構造を有していても良い。図2は、第2の自由層13の一例を示す断面図である。第2の自由層13は、絶縁相13−1と、この絶縁相13−1内に設けられた複数の粒状の磁性相13−2とから構成されている。このように構成された第2の自由層13では、第2の自由層13を流れる電流は、最もトンネル障壁が小さいパスを流れることになる。この電流狭窄(CCP:current confined path)効果により、第2の自由層13を流れる電流密度を向上させることができる。この結果、高磁気異方性エネルギーを有する部分を磁化反転させるのに十分な電流密度が得られるようにMTJ素子10の設計が可能となる。磁性層13−2には第1の自由層15であげた材料を自由に選択することが可能である。例えば絶縁層13−1にMgO、磁性層13−2にCoFe或いはCoFeBを用いグラニュラー構造としても良い。
Further, the second
また、グラニュラー構造の第2の自由層13を用いることで、第2の自由層13の活性化体積を減らすことができる。この場合、第2の自由層13と第1の自由層15との膜厚を同じにした場合でも、第2の自由層13の磁気異方性エネルギーU2を、第1の自由層15の磁気異方性エネルギーU1より小さくすることができる。これにより、第2の自由層13の磁気異方性エネルギーU2の設計が容易となる。
Moreover, the activation volume of the 2nd
なお、第2の自由層13の膜厚が増加すると、第2の自由層13の磁化を反転させるために必要な電流値が増大する。また、第2の自由層13の膜厚がスピン拡散長より長くなると、第2の自由層13中でスピントルクが緩和してしまい、第2の自由層13の磁化を反転させるために必要な電流値が増加してしまう。このため、第2の自由層13の膜厚は、当該第2の自由層13がもつスピン拡散長以下の膜厚であることが好ましい。同様の理由により、第1の自由層15の膜厚は、当該第1の自由層15がもつスピン拡散長以下の膜厚であることが好ましい。
Note that as the film thickness of the second
トンネルバリア層12としては、MgO、AlOx、SiOx、BiOx、SrTiOx、AlLaOx等の酸化物、或いはTiN、VN等の窒化物、或いはMgFx、CaFx等のフッ化物、或いはZrSe、ZnSe等のセレン化物、AlAs等の化合物半導体があげられる。従って、本実施形態のMTJ素子10は、TMR(Tunneling Magnetoresistive)効果を有することになる。この中でも、酸化物絶縁体であるMgOは、トンネルバリア層12としては好ましい材料である。これは、MgOを用いた場合、MR比がより大きくなるからである。
The
また、トンネルバリア層12として、Al(アルミニウム)、Au(金)、As(砒素)、Ag(銀)、Be(ベリリウム)、Ga(カルシウム)、P(リン)、Pt(白金)、Pd(パラジウム)、Ir(イリジウム)、Ru(ルテニウム)、Rh(ロジウム)、Cu(銅)、V(バナジウム)、Cr(クロム)、Nb(ニオブ)、Mo(モリブデン)、Ta(タンタル)、W(タングステン)のうち1つ以上の元素を含む非磁性金属を用いても良い。この非磁性金属を用いた場合は、GMR(Giant Magnetoresistive)効果を利用することができる。
As the
トンネルバリア層14としては、MgO、AlOx、SiOx、BiOx、SrTiOx、AlLaOx等の酸化物、或いはTiN、VN等の窒化物、或いはMgFx、CaFx等のフッ化物、或いはZrSe、ZnSe等のセレン化物、AlAs等の化合物半導体があげられる。或いは、トンネルバリア層14として、Al、Au、As、Ag、Be、Ga、P、Pt、Pd、Ir、Ru、Rh、Cu、V、Cr、Nb、Mo、Ta、Wのうち1つ以上の元素を含む非磁性金属を用いても良い。この中で、酸化物絶縁体、窒化物絶縁体、或いは化合物半導体がより好ましい材料である。このような材料を用いることで、TMR効果によるスピン分極率を向上させることができる。また、酸化物絶縁体であるMgOは、トンネルバリア層14としては好ましい材料である。これは、MgOを用いた場合、スピン分極率がより大きくなるからである。
As the
なお、トンネルバリア層12とトンネルバリア層14とに同じ材料を用いる場合、トンネルバリア層14は、トンネルバリア層12より膜厚が薄くなるように設定される。これは、データ読み出し時に、MR比に差を持たせるためである。
Note that when the same material is used for the
次に、このように構成されたMTJ素子10の情報の書き込み動作について説明する。MTJ素子10は、膜面に垂直な方向において、双方向に電流通電される。なお、ここでいう電流は、電子(e)の流れをいう。
Next, an information writing operation of the
まず、固定層11と第1の自由層15との磁化の方向を平行状態から反平行状態にする場合について説明する。図3は、固定層11と第1の自由層15との磁化の方向を平行状態から反平行状態に変化させる場合におけるMTJ素子10の磁化状態を説明する図である。この場合、MTJ素子10には、第1の自由層15から固定層11へ向かう電子が供給される。
First, the case where the magnetization directions of the fixed
第1の自由層15側から電子を供給した場合、第1の自由層15によりスピン偏極された電子が第2の自由層13に注入される(図3(a)参照)。これにより、第2の自由層13の磁化は、第1の自由層15の磁化と同じ方向に揃えられる(図3(b)参照)。
When electrons are supplied from the first
さらに、第2の自由層13により電子が反射されることで第2の自由層13の磁化と反対方向にスピン偏極された電子が、第1の自由層15に注入される。これにより、第1の自由層15の磁化は、固定層11の磁化の方向と反対方向に揃えられる(図3(c)参照)。これにより、固定層11と第1の自由層15との磁化の方向が反平行配列となる。
Furthermore, electrons that are spin-polarized in the direction opposite to the magnetization of the second
次に、固定層11と第1の自由層15との磁化の方向を反平行状態から平行状態に変化させる場合について説明する。図4は、固定層11と第1の自由層15との磁化の方向を反平行状態から平行状態にする場合におけるMTJ素子10の磁化状態を説明する図である。この場合、MTJ素子10には、固定層11から第1の自由層15へ向かう電子が供給される。
Next, a case where the magnetization directions of the fixed
固定層11側から電子を供給した場合、固定層11によりスピン偏極された電子が第2の自由層13に注入される(図4(a)参照)。この場合、第2の自由層13の磁化の方向は、固定層11の磁化の方向と同じ方向に揃えられる(図4(b)参照)。
When electrons are supplied from the fixed
さらに、第2の自由層13によりスピン偏極された電子が第1の自由層15に注入され、第1の自由層15の磁化は、固定層11の磁化の方向と同じ方向に揃えられる(図4(c)参照)。これにより、固定層11と第1の自由層15との磁化の方向が平行配列となる。
Further, electrons spin-polarized by the second
次に、MTJ素子10のデータ読み出し動作について説明する。データの読み出しは、MTJ素子10に読み出し電流を供給することで行われる。この読み出し電流は、書き込み電流よりも小さい値に設定され、かつ第1の自由層15の磁化が反転しない電流に設定される。
Next, the data read operation of the
まず、固定層11と第1の自由層15との磁化の方向が反平行状態の場合のデータ読み出し動作について説明する。図5は、固定層11と第1の自由層15との磁化の方向が反平行状態におけるデータ読み出し時のMTJ素子10の磁化状態を説明する図である。
First, a data read operation in the case where the magnetization directions of the fixed
例えば第1の自由層15から固定層11に向かう読み出し電流をMTJ素子10に供給すると、第1の自由層15によりスピン偏極された電子が第2の自由層13に注入される(図5(a)参照)。これにより、第2の自由層13の磁化は、第1の自由層15の磁化の方向と同じ方向に揃えられる(図5(b)参照)。
For example, when a read current from the first
この結果、固定層11と第2の自由層13との磁化の方向は、反平行配列となる。この反平行配列のときはMTJ素子10の抵抗値は最も大きくなり、この場合をデータ“1”と規定する。
As a result, the magnetization directions of the fixed
次に、固定層11と第1の自由層15との磁化の方向が平行状態の場合のデータ読み出し動作について説明する。図5は、固定層11と第1の自由層15との磁化の方向が平行状態におけるデータ読み出し時のMTJ素子10の磁化状態を説明する図である。
Next, a data read operation when the magnetization directions of the fixed
例えば第1の自由層15から固定層11に向かう読み出し電流をMTJ素子10に供給すると、第1の自由層15によりスピン偏極された電子が第2の自由層13に注入される(図6(a)参照)。これにより、第2の自由層13の磁化は、第1の自由層15の磁化の方向と同じ方向に揃えられる(図6(b)参照)。
For example, when a read current from the first
この結果、固定層11と第2の自由層13との磁化の方向は、平行配列となる。この平行配列のときはMTJ素子10の抵抗値は最も小さくなり、この場合をデータ“0”と規定する。このMTJ素子10の抵抗値の変化を検出することで、MTJ素子10に記録されたデータの読み出しを行う。
As a result, the magnetization directions of the fixed
以下に、MTJ素子10の他の構成例について説明する。まず、第1の例として、第2の自由層13の他の構成について説明する。第2の自由層13は、磁性層とトンネルバリア層(非磁性層)とが複数積層された積層構造である。図7は、MTJ素子10の他の構成例を示す断面図である。
Hereinafter, another configuration example of the
図7に示すように、第2の自由層13は、磁性層13A、トンネルバリア層13B、磁性層13Cが積層されて構成されている。トンネルバリア層13Bの材料としては、トンネルバリア層14と同じ材料が用いられる。また、第2の自由層13を構成する磁性層13A、13Cとしては、前述したように、強磁性体、或いは常磁性体が用いられる。また、磁性層13A及び13Cの磁気異方性エネルギーはそれぞれ、第1の自由層15の磁気異方性エネルギーU1より小さく設定される。
As shown in FIG. 7, the second
MTJ素子10を構成する層の具体例として、例えば、FePt(2nm)/MgO(0.7nm)/CoFeB(1nm)/MgO(0.7nm)/CoFeB(1nm)/MgO(1nm)/CoFeB(2nm)/FePt(10nm)を用いることができる。CoFeB(2nm)は図示していないが、界面層に相当するものであり、固定層11とトンネルバリア層12との間に設けられるものである。なお、積層膜の記載において、“/”の左側が上層、右側が下層を表している。
As a specific example of the layer constituting the
磁性層とトンネルバリア層とを複数積層して第2の自由層13を構成することで、第1の自由層15とトンネルバリア層14との界面のスピン分極率をより向上させることが可能となる。これにより、効率良くスピントランスファートルクを第1の自由層15に与えることができるため、磁化反転に必要な書き込み電流を低減することが可能となる。なお、第2の自由層13を構成する磁性層が3層以上であっても良い。
By forming the second
トンネルバリア層13Bの材料として非磁性金属層を用いても良い。この場合はGMR効果を利用することになる。磁性層と非磁性金属層とを複数積層して第2の自由層13を構成することで、第1の自由層15とトンネルバリア層14との界面のスピン分極率をより向上させることが可能となる。これにより、効率良くスピントランスファートルクを第1の自由層15に与えることができるため、磁化反転に必要な書き込み電流を低減することが可能となる。
A nonmagnetic metal layer may be used as the material of the
次に、第2の例として、第1の自由層15の他の構成について説明する。図8は、MTJ素子10の他の構成例を示す断面図である。第1の自由層15は、磁性層15C/非磁性層15B/磁性層15Aの積層構造を有している。磁性層15Aと磁性層15Cとの磁化方向は、互いに反平行に設定される。また、磁性層15Aと磁性層15Cとは非磁性層15Bを挟んで反強磁性結合している。非磁性層15Bとしては、例えば非磁性金属が用いられる。
Next, another configuration of the first
非磁性層を介して互いの磁化の方向が反平行である第1の磁性層/非磁性層/第2の磁性層の積層構造をシンセティックアンチフェロ(SAF:Synthetic Anti-Ferromagnet)構造という。このSAF構造を用いることで、第1の自由層15の外部磁場に対する耐性及び熱的な安定性を向上させることができる。
The laminated structure of the first magnetic layer / nonmagnetic layer / second magnetic layer in which the directions of magnetization are antiparallel through the nonmagnetic layer is referred to as a synthetic anti-ferromagnet (SAF) structure. By using this SAF structure, the resistance to the external magnetic field and the thermal stability of the first
MTJ素子10を構成する層の具体例として、例えば、FePt(2nm)/Ru(0.8)/FePt(2nm)/MgO(0.7nm)/CoFeB(1nm)/MgO(1nm)/CoFeB(2nm)/FePt(10nm)を用いることができる。CoFeB(2nm)は図示していないが、界面層に相当するものであり、固定層11とトンネルバリア層12との間に設けられるものである。
As a specific example of the layer constituting the
次に、第3の例として、固定層11の他の構成について説明する。図9は、MTJ素子10の他の構成例を示す断面図である。固定層11は、磁性層11C/非磁性層11B/磁性層11Aの積層構造を有している。磁性層11Aと磁性層11Cとの磁化方向は、互いに反平行に設定される。また、磁性層11Aと磁性層11Cとは非磁性層11Bを挟んで反強磁性結合している。非磁性層11Bとしては、例えば非磁性金属が用いられる。
Next, another configuration of the fixed
固定層11にSAF構造を用いることで、固定層11の磁化固着力が増強され、外部磁場に対する耐性及び熱的な安定性を向上させることができる。また、SAF構造において、磁性層11Cの飽和磁化をMs1、膜厚をt1、磁性層11Aの飽和磁化をMs2、膜厚をt2とすると、Ms1・t1≒Ms2・t2に設定することで、固定層11の見かけ上の飽和磁化と膜厚との積Ms・tをほぼゼロとすることが可能となる。これにより、固定層11は、外部磁場に反応しにくくなり、さらに外部磁場耐性を向上させることができる。
By using the SAF structure for the fixed
MTJ素子10を構成する層の具体例として、例えば、FePt(2nm)/MgO(0.7nm)/CoFeB(1nm)/MgO(1nm)/CoFeB(2nm)/FePt(8nm)/Ru(0.8)/FePt(10)を用いることができる。CoFeB(2nm)は図示していないが、界面層に相当するものであり、固定層11とトンネルバリア層12との間に設けられるものである。
Specific examples of the layers constituting the
以上詳述したように本実施形態では、固定層11と第1の自由層15との間に第2の自由層13を設け、第2の自由層13の磁気異方性エネルギーU2を第1の自由層15の磁気異方性エネルギーU1より小さくなるように設定している。
As described in detail above, in the present embodiment, the second
従って本実施形態によれば、第1の自由層15とトンネルバリア層14との界面でのスピン分極率を向上させることができる。これにより、効率良くスピントランスファートルクを第1の自由層15に与えることができるため、磁化反転に必要な書き込み電流を低減することが可能となる。さらに、MTJ素子10の微細化が可能となるため、このMTJ素子10を用いて大容量(例えば256Mbits以上)のMRAMを具現化することができる。
Therefore, according to the present embodiment, the spin polarizability at the interface between the first
(第2の実施形態)
第2の実施形態は、前述したMTJ素子10を用いてMRAMを構成した場合の例について示している。
(Second Embodiment)
The second embodiment shows an example in which an MRAM is configured using the
図10は、本発明の第2の実施形態に係るMTJ素子10の構成を示す断面図である。固定層11、トンネルバリア層12、第2の自由層13、トンネルバリア層14、第1の自由層15が順に積層された基本構成は、第1の実施形態と同じであり、この基本構成を上下で挟むように、上部電極17及び下部電極16が設けられている。上部電極17及び下部電極16としては、例えば、タンタル(Ta)、窒化チタン(TiN)が用いられる。
FIG. 10 is a cross-sectional view showing the configuration of the
図11は、MRAMの構成を示す回路図である。MRAMは、マトリクス状に配列された複数のメモリセルMCを有するメモリセルアレイ20を備えている。メモリセルアレイ20には、それぞれが列(カラム)方向に延在するように、複数のビット線対BL,/BLが配置されている。また、メモリセルアレイ20には、それぞれが行(ロウ)方向に延在するように、複数のワード線WLが配置されている。
FIG. 11 is a circuit diagram showing a configuration of the MRAM. The MRAM includes a
ビット線BLとワード線WLとの交差部分には、メモリセルMCが配置されている。各メモリセルMCは、MTJ素子10、及び選択トランジスタ21を備えている。MTJ素子10の上部電極17は、ビット線BLに接続されている。MTJ素子10の下部電極16は、選択トランジスタ21のドレイン端子に接続されている。選択トランジスタ21のゲート端子は、ワード線WLに接続されている。選択トランジスタ21のソース端子は、ビット線/BLに接続されている。
Memory cells MC are arranged at the intersections between the bit lines BL and the word lines WL. Each memory cell MC includes an
ワード線WLには、ロウデコーダ22が接続されている。ビット線対BL,/BLには、書き込み回路24及び読み出し回路25が接続されている。書き込み回路24及び読み出し回路25には、カラムデコーダ23が接続されている。各メモリセルMCは、ロウデコーダ22及びカラムデコーダ23により選択される。
A
メモリセルMCへのデータ書き込みは、以下のように行われる。先ず、データ書き込みを行なうメモリセルMCを選択するために、このメモリセルMCに接続されたワード線WLが活性化される。これにより、選択トランジスタ21がターンオンする。
Data writing to the memory cell MC is performed as follows. First, in order to select a memory cell MC for data writing, the word line WL connected to the memory cell MC is activated. As a result, the
ここで、MTJ素子10には、双方向の書き込み電流Iwが供給される。具体的には、MTJ素子10に左から右へ書き込み電流Iwを供給する場合、書き込み回路24は、ビット線BLに正の電位を印加し、ビット線/BLに接地電位を印加する。また、MTJ素子10に右から左へ書き込み電流Iwを供給する場合、書き込み回路24は、ビット線/BLに正の電位を印加し、ビット線BLに接地電位を印加する。このようにして、メモリセルMCにデータ“0”或いはデータ“1”を書き込むことができる。
Here, the bidirectional write current Iw is supplied to the
次に、メモリセルMCからのデータ読み出しは、以下のように行われる。まず、選択されたメモリセルMCの選択トランジスタ21がターンオンする。読み出し回路25は、MTJ素子10に、例えば右から左へ流れる読み出し電流Irを供給する。そして、読み出し回路25は、この読み出し電流Irに基づいて、MTJ素子10の抵抗値を検出する。このようにして、MTJ素子10に記憶されたデータを読み出すことができる。
Next, data reading from the memory cell MC is performed as follows. First, the
以上詳述したように本実施形態によれば、第1の実施形態で示したMTJ素子10を用いてMRAMを構成することができる。また、第1の実施形態で示したMTJ素子10を用いることで、微細化が可能で、かつ反転電流密度を低減することが可能なMRAMを構成することができる。
As described above in detail, according to the present embodiment, the MRAM can be configured using the
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で、構成要素を変形して具体化できる。また、実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を構成することができる。例えば、実施形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除しても良いし、異なる実施形態の構成要素を適宜組み合わせても良い。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be embodied by modifying the components without departing from the scope of the invention. In addition, various inventions can be configured by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the embodiments. For example, some constituent elements may be deleted from all the constituent elements disclosed in the embodiments, or constituent elements of different embodiments may be appropriately combined.
10…MTJ素子、11…固定層、11C,11A…磁性層、11B…非磁性層、12…トンネルバリア層、13…第2の自由層、13−1…絶縁相、13−2…磁性相、13A,13C…磁性層、13B…トンネルバリア層、14…トンネルバリア層、15…第1の自由層、15C,15A…磁性層、15B…非磁性層、16…下部電極、17…上部電極、20…メモリセルアレイ、21…選択トランジスタ、22…ロウデコーダ、23…カラムデコーダ、24…書き込み回路、25…読み出し回路、MC…メモリセル、WL…ワード線、BL…ビット線。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
膜面に垂直な磁化を有し、磁化の方向が固定された固定層と、
前記第1の自由層と前記固定層との間に設けられ、磁化の方向が前記第1の自由層の磁化の方向と独立して変化し、自身が持つスピン拡散長以下の膜厚を有する第2の自由層と、
前記第1の自由層と前記第2の自由層との間に設けられた第1の非磁性層と、
前記第2の自由層と前記固定層との間に設けられた第2の非磁性層と、
を具備し、
前記第1の自由層の磁気異方性定数Ku1と活性化体積V1との積Ku1×V1と、前記第2の自由層の磁気異方性定数Ku2と活性化体積V2との積Ku2×V2との関係が、Ku1×V1>Ku2×V2を満たし、
前記第1及び第2の非磁性層はそれぞれ、酸化物、窒化物、フッ化物、セレン化物、或いは化合物半導体からなり、
前記第1の自由層から前記固定層へ電子を流して、前記固定層と前記第1の自由層との磁化を平行状態から反平行状態にする第1の書き込み動作は、
前記第2の自由層の磁化が前記固定層の磁化と平行になるステップと、
前記第1の自由層の磁化が前記第2の自由層の磁化と反平行になるステップと、
を含み、
前記固定層から前記第1の自由層へ電子を流して、前記固定層と前記第1の自由層との磁化を反平行状態から平行状態にする第2の書き込み動作は、
前記第2の自由層の磁化が前記固定層の磁化と平行になるステップと、
前記第1の自由層の磁化が前記第2の自由層の磁化と平行になるステップと、
を含むことを特徴とする磁気抵抗素子。 A first free layer having magnetization perpendicular to the film surface and changing the direction of magnetization;
A fixed layer having magnetization perpendicular to the film surface and having a fixed magnetization direction;
Provided between the first free layer and the fixed layer, the magnetization direction changes independently of the magnetization direction of the first free layer, and has a film thickness equal to or less than its own spin diffusion length A second free layer;
A first nonmagnetic layer provided between the first free layer and the second free layer;
A second nonmagnetic layer provided between the second free layer and the pinned layer;
Comprising
The product Ku1 × V1 of the magnetic anisotropy constant Ku1 of the first free layer and the activation volume V1, and the product Ku2 × V2 of the magnetic anisotropy constant Ku2 of the second free layer and the activation volume V2. Satisfies the relationship Ku1 × V1> Ku2 × V2,
Each of the first and second nonmagnetic layers is made of an oxide, nitride, fluoride, selenide, or compound semiconductor,
A first write operation in which electrons flow from the first free layer to the fixed layer to change the magnetization of the fixed layer and the first free layer from a parallel state to an antiparallel state,
The magnetization of the second free layer is parallel to the magnetization of the pinned layer;
The magnetization of the first free layer is anti-parallel to the magnetization of the second free layer;
Including
A second write operation in which electrons flow from the fixed layer to the first free layer to change the magnetization of the fixed layer and the first free layer from an antiparallel state to a parallel state,
The magnetization of the second free layer is parallel to the magnetization of the pinned layer;
The magnetization of the first free layer is parallel to the magnetization of the second free layer;
Magnetoresistive element characterized by comprising a.
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