JP5068016B2 - 不揮発性記憶装置 - Google Patents
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Description
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図1は、この発明の実施の形態1に従う不揮発性記憶装置の代表例であるMRAMデバイス1の全体構成図である。
ワード線ドライバ帯6は、選択されたメモリセル行に対応するワード線WLを「H」レベルに活性化して、対応するメモリセル行に配置されたメモリセルMCのアクセストランジスタATRを活性化させる。すると、活性化されたアクセストランジスタATRと直列接続されるトンネル接合素子100がそれぞれビット線対BL,/BLと電気的に接続される。
ワード線ドライバ帯6は、選択されたメモリセル行に対応するワード線WLを「H」レベルに活性化して、対応するメモリセル行に配置されたメモリセルMCのアクセストランジスタATRを活性化させる。すると、活性化されたアクセストランジスタATRと直列接続されるトンネル接合素子100がそれぞれビット線対BL,/BLと電気的に接続される。
図2(a)は、概略の外観図である。
図2(a)を参照して、トンネル接合素子100は、固定層PL、トンネル絶縁層BALおよび記録層RLの順に積層されて形成される。
強磁性層12は、一例として、CoFe合金,Co,Fe,CoNi合金,CoFeNi合金などのCo,Fe,Niなどを主成分とする金属材料からなる。
強磁性層14は、非磁性層16を介して強磁性層18の反対側に配置される。そして、強磁性層14は、CoFe合金,Co,Fe,CoNi合金,CoFeNi合金などのCo,Fe,Niなどを主成分にBを含んだ金属材料からなる。この発明の実施の形態1においては、強磁性層14は、一例として、CoFeB合金からなる。
図3を参照して、半導体基板40上に形成された層間絶縁膜42を介して、ビット線/BLが形成される。ビット線/BLは、銅配線44およびその周囲に形成されたバリアメタル46からなる。
図4を参照して、トンネル接合素子100は、面内方向において、ビット線/BLと書込みビット線WBLとの交差点にその中心が一致するように立体的に配置される。そして、トンネル接合素子100の磁化容易軸は、書込みビット線WBLの配線方向と一致し、かつ、磁化困難軸は、ビット線/BLの配線方向と一致する。そのため、トンネル接合素子100は、ビット線/BLを流れるビット線電流Ibにより磁化容易軸方向の外部磁界H(Ib)を受け、書込みビット線WBLを流れる書込み線電流Iwにより磁化困難軸方向の外部磁界H(Iw)を受ける。その結果、トンネル接合素子100は、外部磁界H(Ib)およびH(Iw)の合成磁界Hを受ける。
図5(b)は、「1」値を記憶する場合である。
上述したように、この発明の実施の形態1においては、記録層RLを構成する強磁性層14は、CoFeB合金からなり、SAF構造を形成する強磁性層18および22は、いずれもCoFe合金からなる。
図6(a)は、CoFe合金の場合である。
図6(a)を参照して、上述したパターニング処理および熱処理により一軸磁気異方性を形成したCoFe合金の強磁性層に対して、それぞれ磁化容易軸方向および磁化困難軸方向に変動磁界を印加すると、いずれもヒステリシスをもつ磁化特性が測定された。
図7(b)は、SAF構造の磁化状態を説明するための図である。
図8を参照して、あるSAF構造に対して変動磁界を印加した場合の磁化特性についてみると、保磁力Hcを超える磁界を印加すると、2つの強磁性層の磁化方向が互いに反対となる(状態ST60およびST62)。すなわち、正の磁界を印加するとSAF構造は状態ST60となり、負の磁界を印加するとSAF構造は状態ST62となる。
この発明の実施の形態1に従うトンネル接合素子100においては、強磁性層14において絶縁層BALと接合するように、記録層RLが形成される構成について説明したが、記録層RLの積層順を逆にしてもよい。すなわち、強磁性層22において絶縁層BALと接合するように、記録層RLを形成してもよい。
この発明の実施の形態1に従うトンネル接合素子100においては、円断面をもつ円柱形状の構成について説明したが、形状異方性を持たない形状、すなわち磁化容易軸方向の長さと磁化困難軸方向の長さが実質的に等しい形状であればよい。
トンネル接合素子102は、断面形状を除いて、この発明の実施の形態1に従うトンネル接合素子100と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
上述の実施の形態1においては、記録層の一軸磁気異方性を決定する強磁性層が1つである場合について説明した。一方、実施の形態2においては、記録層の一軸磁気異方性を決定する強磁性層が2つである場合について説明する。
この発明の実施の形態1においては、一例として、強磁性層14の層の厚さは2nmであり、強磁性層26の層の厚さは6nmであり、強磁性層18および22の層の厚さはいずれも2.5nmであり、非磁性層16、20および26の層の厚さはいずれも1.0nmである。
図12(b)は、「1」値を記憶する場合である。
(2)式より、記録層RLの反転磁界は、強磁性層14および26の組合せにより決定されることがわかる。すなわち、記録層RLの一軸磁気異方性は、強磁性層14および26の材料および層の厚さを適宜選択することで、所望の特性を実現できる。
上述の実施の形態1および2においては、記録層のSAF構造が1つである場合について説明した。一方、実施の形態3においては、記録層のSAF構造が2つである場合について説明する。
図14(b)は、「1」値を記憶する場合である。
なお、この発明の実施の形態1〜3の説明においては、磁気抵抗素子としてトンネル磁気抵抗効果を利用したトンネル接合素子について説明したが、巨大磁気抵抗効果を利用する磁気抵抗素子にも同様に適用可能である。
Claims (8)
- 行列状に設けられる複数の書込み線と、
前記複数の書込み線のうち、行および列に対応する2つの書込み線の交差点に対応付けて配置される磁気抵抗素子とを備え、
前記磁気抵抗素子は、書込みデータに応じて前記2つの書込み線をそれぞれ流れる電流により生じる書込み磁界を受け、不揮発的に電気抵抗値を変化させることでデータを記憶する、不揮発性記憶装置であって、
前記磁気抵抗素子は、
前記書込み磁界に関わらず一定の磁化方向を有する固定層と、
前記書込み磁界に応じて磁化方向を変化させる記録層と、
前記固定層と前記記録層とにより挟まれた第1の非磁性層とを含み、
前記記録層は、
交換結合層と、
第1の材料からなる第1の強磁性層と、
前記交換結合層と前記第1の強磁性層とにより挟まれた第2の非磁性層とを含み、
前記交換結合層は、
前記第1の材料とは異なる第2の材料からなる第2および第3の強磁性層と、
前記第2の強磁性層と前記第3の強磁性層とにより挟まれた第3の非磁性層とを含み、
前記第2および第3の強磁性層は、互いの磁化を打消し合うように、磁化方向が互いに反対で、大きさが略同一の磁化を有し、
前記記録層は、
前記第1の強磁性層が前記第1の非磁性層と接合するように配置され、さらに、
第4の強磁性層と、
前記交換結合層と前記第4の強磁性層とにより挟まれた第4の非磁性層とを含み、
前記第4の強磁性層は、前記第1の強磁性層の磁化方向と反対の磁化方向を有し、
前記第1の材料は、コバルト、鉄およびニッケルのうち1または2以上と、ホウ素とを含み、
前記第2の材料は、コバルト、鉄およびニッケルのうち1または2以上からなる、前記第1の材料とは異なる材料である、不揮発性記憶装置。 - 前記第2の材料は、コバルト鉄合金である、請求項1に記載の不揮発性記憶装置。
- 前記第1の材料は、ホウ素を含むコバルト鉄合金である、請求項1または2に記載の不揮発性記憶装置。
- 前記第1、第2および第3の非磁性層のうち、少なくともいずれか1つは、ルテニウムである、請求項1〜3のいずれか1項に記載の不揮発性記憶装置。
- 前記第4の強磁性層は、コバルト、鉄およびニッケルのうち、1または2以上を含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載の不揮発性記憶装置。
- 前記第4の強磁性層は、ニッケル鉄合金である、請求項5に記載の不揮発性記憶装置。
- 前記記録層は、複数の前記交換結合層を含む、請求項1〜6のいずれか1項に記載の不揮発性記憶装置。
- 前記記録層は、外部から磁界を印加されつつ形成され、かつ、形成後に外部から磁界を印加されつつ熱処理されることで、磁化し易い方向が決定される、請求項1〜7のいずれか1項に記載の不揮発性記憶装置。
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