JP5143444B2 - 磁気抵抗効果素子、それを用いた磁気メモリセル及び磁気ランダムアクセスメモリ - Google Patents
磁気抵抗効果素子、それを用いた磁気メモリセル及び磁気ランダムアクセスメモリ Download PDFInfo
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J. Magn. Magn. Mater. 139, L231 (1995) Nature Material 3, 868(2004)
図1は、本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子の例を示す断面模式図である。本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子は、スパッタリング法を用いて作製した。さらにスピントランスファートルク磁化反転を実施するために電子線描画装置とステッパを組み合わせたリソグラフィーを用いて、100×200nm2の寸法を有するトンネル磁気抵抗効果膜1を作製した。このトンネル磁気抵抗効果膜1は、配向制御層300、強磁性固定層301、絶縁障壁層302、強磁性自由層303、絶縁層304、非磁性導電層305、保護層306により構成されている。電極400,401をトンネル磁気抵抗効果膜1の上下に接して備えて、トンネル磁気抵抗効果素子を構成している。
図3と図4は、本発明によるトンネル磁気抵抗効果膜3とトンネル磁気抵抗効果膜4を備えるトンネル磁気抵抗効果素子を示す断面模式図である。トンネル磁気抵抗効果膜3は、トンネル磁気抵抗効果膜1の構成において、配向制御層300と強磁性固定層301の間に反強磁性層307を設けた構成を、トンネル磁気抵抗効果膜4は、トンネル磁気抵抗効果膜2の構成において、強磁性固定層301と保護層306の間に反強磁性層307を設けた構成をそれぞれ示す。本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子の層構造及び各層の材料・膜厚は、反強磁性層307以外、実施例1と同様である。
図5と図6は、本発明によるトンネル磁気抵抗効果膜5とトンネル磁気抵抗効果膜6を備えるトンネル磁気抵抗効果素子を示す断面模式図である。トンネル磁気抵抗効果膜5は、トンネル磁気抵抗効果膜3の構成において、強磁性固定層301が、第一の強磁性層3011、第一の非磁性層3012、第二の強磁性層3013からなる構成をもつ。一方、トンネル磁気抵抗効果膜6は、トンネル磁気抵抗効果膜4の構成において、強磁性固定層301が、第一の強磁性層3011、第一の非磁性層3012、第二の強磁性層3013からなる構成を有する。本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子の層構造及び各層の材料・膜厚は、強磁性固定層301以外、実施例2と同様である。
図7と図8に、本発明のトンネル磁気抵抗効果膜7とトンネル磁気抵抗効果膜8を備えるトンネル磁気抵抗効果素子の断面模式図を示す。トンネル磁気抵抗効果膜7は、トンネル磁気抵抗効果膜1の構成において、強磁性自由層303が、第三の強磁性層3031、第二の非磁性層3032、第四の強磁性層3033からなる構成をもつ。一方、トンネル磁気抵抗効果膜8は、トンネル磁気抵抗効果膜2の構成において、強磁性自由層303が、第三の強磁性層3031、第二の非磁性層3032、第四の強磁性層3033からなる構成を有する。上記第三の強磁性層3031と第四の強磁性層3033は、第二の非磁性層を介して磁化方向が反平行に結合し、このような強磁性自由層303を積層フェリ自由層と呼ぶ。本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子の層構造及び各層の材料・膜厚は、強磁性自由層303以外、実施例1と同様である。
図9と図10は、本発明によるトンネル磁気抵抗効果膜9とトンネル磁気抵抗効果膜10を備えるトンネル磁気抵抗効果素子を示す断面模式図である。トンネル磁気抵抗効果膜9は、実施例4に示したトンネル磁気抵抗効果膜7の構成において、配向制御層300と強磁性固定層301の間に反強磁性層307を設けた構成を、トンネル磁気抵抗効果膜10は、トンネル磁気抵抗効果膜8の構成において、強磁性固定層301と保護層306の間に反強磁性層307を設けた構成をそれぞれ示す。本実施例の反強磁性307は、強磁性固定層301の磁化方向を一方向に強く安定に固定するために用いられる。実施例4における強磁性固定層301の磁化は、100Oe程度の磁界で反転するのに対して、本実施例では、500Oeの磁界まで磁化反転は起きず安定に磁化方向を固定できる。反強磁性層307に用いられる材料は、実施例2に示した材料と同様である。
図11と図12は、本発明によるトンネル磁気抵抗効果膜11とトンネル磁気抵抗効果膜12を備えるトンネル磁気抵抗効果素子の断面模式図である。トンネル磁気抵抗効果膜11は、実施例5に示したトンネル磁気抵抗効果膜9の構成において、強磁性固定層301が、第一の強磁性層3011、第一の非磁性層3012、第二の強磁性層3013からなる。一方、トンネル磁気抵抗効果膜12は、トンネル磁気抵抗効果膜10の構成において、強磁性固定層301が、第一の強磁性層3011、第一の非磁性層3012、第二の強磁性層3013からなる。上記第一の強磁性層3011と第二の強磁性層3013は、第一の非磁性層3012を介して磁化方向が反平行に結合した積層フェリ固定層を構成する。また、第二の強磁性層3013は反強磁性層307に隣接し、第二の強磁性層3013の磁化は反強磁性層307との交換結合により一方向に固定され、強磁性固定層301の磁化方向が固定されることになる。
図16は、本発明による磁気メモリセルの構成例を示す断面模式図である。図中トンネル磁気抵抗効果膜200に示した部分に、実施例1〜6に示したトンネル磁気抵抗効果膜1〜12を搭載する。
Claims (15)
- 強磁性自由層と、強磁性固定層と、前記強磁性自由層と強磁性固定層の間に形成された第1の絶縁層と、前記強磁性自由層の前記第1の絶縁層側の面と反対側の面に形成された第2の絶縁層と、前記第2の絶縁層の前記強磁性自由層側の面と反対側の面に形成された非磁性導電層とを有するトンネル磁気抵抗効果膜とを有し、
前記第2の絶縁層は(100)配向した岩塩構造を有するMgOであり、前記非磁性導電層は(100)配向した体心立方構造をもつCrであり、前記非磁性導電層は前記第2の絶縁層に接しており、
前記強磁性自由層の磁化を反転させる時には、少なくとも前記非磁性導電層、前記第2の絶縁層、前記強磁性自由層、前記第1の絶縁層、及び前記強磁性固定層の膜厚方向に電流を流し、
前記強磁性自由層の磁化方向を検知する時には、少なくとも前記強磁性自由層、前記第1の絶縁層、及び前記強磁性固定層の膜厚方向に電流を流すことを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 請求項1記載の磁気抵抗効果素子において、スピントランスファートルクにより前記強磁性自由層の磁化を反転させ、トンネル磁気抵抗効果により前記強磁性固定層の磁化方向に対する前記強磁性自由層の磁化方向を検知することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
- 請求項1記載の磁気抵抗効果素子において、前記トンネル磁気抵抗効果膜の膜厚方向に電流を流すための一対の電極層を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
- 請求項1記載の磁気抵抗効果素子において、前記強磁性固定層の磁化方向を固定するための反強磁性層を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
- 請求項1記載の磁気抵抗効果素子において、前記強磁性固定層は非磁性層を挟んで磁化方向が反平行に結合した第1の強磁性層と第2の強磁性層からなることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
- 請求項1記載の磁気抵抗効果素子において、前記強磁性自由層は非磁性層を挟んで磁化方向が反平行に結合した第1の強磁性層と第2の強磁性層からなることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
- 請求項1記載の磁気抵抗効果素子において、前記第2の絶縁層は、前記第1の絶縁層より膜厚が薄いことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
- 強磁性自由層と、強磁性固定層と、前記強磁性自由層と強磁性固定層の間に形成された第1の絶縁層と、前記強磁性自由層の前記第1の絶縁層側の面と反対側の面に形成された第2の絶縁層と、前記第2の絶縁層の前記強磁性自由層側の面と反対側の面に形成された非磁性導電層とを有するトンネル磁気抵抗効果膜と、
情報書き込み時に、少なくとも前記非磁性導電層、前記第2の絶縁層、前記強磁性自由層、前記第1の絶縁層、及び前記強磁性固定層の膜厚方向に書き込み電流を流す手段と、
情報読み出し時に、少なくとも前記強磁性自由層、前記第1の絶縁層、及び前記強磁性固定層の膜厚方向に読み出し電流を流す手段と、
前記書き込み電流及び読み出し電流をオン・オフ制御するスイッチング素子とを有し、
前記第2の絶縁層は(100)配向した岩塩構造を有するMgOであり、前記非磁性導電層は(100)配向した体心立方構造をもつCrであり、前記非磁性導電層は前記第2の絶縁層に接していることを特徴とする磁気メモリセル。 - 請求項8記載の磁気メモリセルにおいて、スピントランスファートルクにより前記強磁性自由層の磁化を反転させ、トンネル磁気抵抗効果により前記強磁性固定層の磁化方向に対する前記強磁性自由層の磁化方向を検知することを特徴とする磁気メモリセル。
- 請求項8記載の磁気メモリセルにおいて、前記第2の絶縁層は、前記第1の絶縁層より膜厚が薄いことを特徴とする磁気メモリセル。
- 請求項8記載の磁気メモリセルにおいて、前記トンネル磁気抵抗効果膜の膜厚方向に電流を流すための一対の電極層を有することを特徴とする磁気メモリセル。
- 磁気抵抗効果素子、前記磁気抵抗効果素子に書き込み電流及び読み出し電流を流す手段、及び前記書き込み電流及び読み出し電流をオン・オフ制御するスイッチング素子を各々備える磁気メモリセルが2次元アレイ状に配列されたメモリセル群と、
前記メモリセル群の中の所望の磁気メモリセルを選択する選択手段とを有し、
前記磁気抵抗効果素子は、強磁性自由層と、強磁性固定層と、前記強磁性自由層と強磁性固定層の間に形成された第1の絶縁層と、前記強磁性自由層の前記第1の絶縁層側の面と反対側の面に形成された第2の絶縁層と、前記第2の絶縁層の前記強磁性自由層側の面と反対側の面に形成された非磁性導電層とを有するトンネル磁気抵抗効果膜と、前記書き込み電流を少なくとも前記非磁性導電層、前記第2の絶縁層、前記強磁性自由層、前記第1の絶縁層、及び前記強磁性固定層の膜厚方向に流す手段と、前記読み出し電流を少なくとも前記強磁性自由層、前記第1の絶縁層、及び前記強磁性固定層の膜厚方向に流す手段とを有し、
前記第2の絶縁層は(100)配向した岩塩構造を有するMgOであり、前記非磁性導電層は(100)配向した体心立方構造をもつCrであり、前記非磁性導電層は前記第2の絶縁層に接していることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。 - 請求項12記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、前記選択手段によって選択された磁気メモリセルの前記磁気抵抗効果素子に前記書き込み電流を流し、スピントランスファートルクによって前記強磁性自由層の磁化を反転させて情報の書き込みを行うことを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
- 請求項12記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、前記第2の絶縁層は、前記第1の絶縁層より膜厚が薄いことを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
- 請求項12記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、前記磁気抵抗効果素子に書き込み電流及び読み出し電流を流す手段は、前記磁気抵抗効果素子の膜厚方向に電流を流すための一対の電極であることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
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