JP5201536B2 - 磁気抵抗効果素子及びmram - Google Patents
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Description
1−1.構造
図1は、第1の実施例に係る磁気抵抗効果素子の構造を概略的に示す側面図である。磁気抵抗効果素子は、磁化自由層1、トンネルバリヤ層2、及び磁化固定層3が順に積層された積層構造を有している。図1において、その積層方向が「Z方向」として定義されている。つまり、各層の主面に直角な方向がZ方向である。各層は、Z方向に直角なXY面上に形成されている。
図3は、本実施例に係る磁化自由層1が取り得る2種類の磁化状態を示している。磁化反転領域13の磁化の向きが−X方向である場合、つまり、その向きが磁化固定層3の磁化の向き(+X方向)と反平行である場合、MTJの抵抗値は比較的大きい。この反平行状態が、例えばデータ“1”に対応付けられている。一方、磁化反転領域13の磁化の向きが+X方向である場合、つまり、その向きが磁化固定層3の磁化の向き(+X方向)と平行である場合、MTJの抵抗値は比較的小さい。この平行状態が、例えばデータ“0”に対応付けられている。
図4A〜図4Dは、既出の図2Bに対応する図であり、磁化自由層1の様々な変形例を示している。いずれの変形例においても、磁化自由層1は、第1磁化固定領域11、第2磁化固定領域12、及び磁化反転領域13を有している。第1磁化固定領域11と磁化反転領域13は三叉路を形成しており、第1磁化固定領域11は、広角部11aと狭角部11bを含んでいる。また、第2磁化固定領域12と磁化反転領域13も三叉路を形成しており、第2磁化固定領域12は、広角部12aと狭角部12bを含んでいる。各領域の幅や長さ、角度は、任意に設計され得る。
図5A〜図5Cは、磁化自由層1の磁化反転領域13の様々な変形例を示している。いずれの変形例においても、磁化反転領域13は、中央部に対して第1端13a側に位置する第1領域B1と、中央部に対して第2端13b側に位置する第2領域B2とを含んでいる。第1領域B1及び第2領域B2の断面積は、中央部の断面積と異なっている。エネルギーの観点から言えば、磁壁DWは、その面積が小さいほど安定となる。
磁化自由層1及び磁化固定層3の材料として、例えば、Fe(鉄)、Co(コバルト)、Ni(ニッケル)、またはそれらを主成分とする合金を用いることができる。特に、Fe−Ni、Fe−Co−Ni、Fe−Coが望ましい。また、これら磁性体に非磁性元素を添加することにより、磁気特性、結晶性、機械的特性、化学的特性などの特性を調整してもよい。添加される非磁性元素としては、Ag(銀)、Cu(銅)、Au(金)、B(ボロン)、C(炭素)、N(窒素)、O(酸素)、Mg(マグネシウム)、Al(アルミニウム)、Si(シリコン)、P(リン)、Ti(チタン)、Cr(クロム)、Zr(ジルコニウム)、Nb(ニオブ)、Mo(モリブテン)、Hf(ハフニウム)、Ta(タンタル)、W(タングステン)、Pd(パラジウム)、Pt(白金)などが挙げられる。その場合、Ni−Fe−Zr、Co−Fe−Bなどの材料が例示される。
本実施例により得られる主な効果は、次の通りである。
第2の実施例において、第1の実施例における構成と同じ構成には同一の符号が付され、重複する説明は適宜省略される。
第3の実施例において、既出の実施例における構成と同じ構成には同一の符号が付され、重複する説明は適宜省略される。
図9は、複数の磁気抵抗効果素子の配置の一例を示す平面図である。図9において、複数の磁気抵抗効果素子(ビット)がアレイ状に配置されている。また、隣接する磁気抵抗効果素子の間で、磁化自由層1の磁化固定領域同士が磁気的に結合している。これにより、磁化固定領域11、12の固定磁化を更に安定化することが可能となる。
第5の実施例において、既出の実施例における構成と同じ構成には同一の符号が付され、重複する説明は適宜省略される。
第6の実施例において、既出の実施例における構成と同じ構成には同一の符号が付され、重複する説明は適宜省略される。
図14は、上述の磁気抵抗効果素子を用いた磁気メモリセルの一例を示す回路図である。図14において、書き込み電流を供給するための選択トランジスタ50a、50bが、磁化自由層1に接続されている。具体的には、選択トランジスタ50aのソース/ドレインの一方は、第1磁化固定領域11の第1広角部11aに接続され、その他方は、第1ビット線51aに接続されている。同様に、選択トランジスタ50bのソース/ドレインの一方は、第2磁化固定領域12の第2広角部12aに接続され、その他方は、第2ビット線51bに接続されている。選択トランジスタ50a、50bのゲートは、ワード線52に接続されている。更に、磁化固定層3は、アース線53に接続されている。
Claims (15)
- 選択トランジスタに接続された磁化自由層と、
非磁性層を介して前記磁化自由層に接続され、磁化の向きが固定された磁化固定層と
を備え、
前記磁化自由層は、
前記磁化固定層とオーバーラップし、反転可能な磁化を有する磁化反転領域と、
前記磁化反転領域の磁化容易軸方向の一端に接続され、第1固定磁化を有する第1磁化固定領域と、
前記磁化反転領域の磁化容易軸方向の他端に接続され、第2固定磁化を有する第2磁化固定領域と
を含み、
前記第1磁化固定領域と前記磁化反転領域は1つの三叉路を形成し、
前記第2磁化固定領域と前記磁化反転領域は他の三叉路を形成し、
前記第1磁化固定領域は、
前記磁化容易軸に対して90度以上の角度をなす第1広角部と、
前記磁化容易軸に対して90度以下の角度をなす第1狭角部と
を有し、
前記第2磁化固定領域は、
前記磁化容易軸に対して90度以上の角度をなす第2広角部と、
前記磁化容易軸に対して90度以下の角度をなす第2狭角部と
を有する
磁気抵抗効果素子。 - 請求項1に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第1広角部は第1選択トランジスタに接続され、
前記第2広角部は第2選択トランジスタに接続された
磁気抵抗効果素子。 - 請求項1又は2に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第1固定磁化は、前記第1広角部から前記第1狭角部へ向かう方向に固定され、
前記第2固定磁化は、前記第2広角部から前記第2狭角部へ向かう方向に固定された
磁気抵抗効果素子。 - 請求項1又は2に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第1固定磁化は、前記第1狭角部から前記第1広角部へ向かう方向に固定され、
前記第2固定磁化は、前記第2狭角部から前記第2広角部へ向かう方向に固定された
磁気抵抗効果素子。 - 請求項3又は4に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第1磁化固定領域と前記第2磁化固定領域は、前記磁化反転領域を挟んで鏡面対称である
磁気抵抗効果素子。 - 請求項1又は2に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第1磁化固定領域と前記第2磁化固定領域は、前記磁化反転領域を中心として回転対称である
磁気抵抗効果素子。 - 請求項1乃至6のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子であって、
データ書き込み時、書き込み電流が、前記磁化自由層内において、前記第1広角部から前記磁化反転領域を通って前記第2広角部に流される
磁気抵抗効果素子。 - 請求項1乃至7のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記磁化反転領域、前記非磁性層、及び前記磁化固定層の積層方向は、第1方向であり、
前記磁化反転領域、前記第1磁化固定領域、及び前記第2磁化固定領域は、前記第1方向に直角な同一平面上に形成された
磁気抵抗効果素子。 - 請求項1乃至7のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記磁化反転領域、前記非磁性層、及び前記磁化固定層の積層方向は、第1方向であり、
前記磁化反転領域は、前記第1方向に直角な第1平面上に形成され、
前記第1磁化固定領域及び前記第2磁化固定領域は、それぞれ前記第1平面とは異なる平面上に形成された
磁気抵抗効果素子。 - 請求項1乃至9のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第1固定磁化の向きを固定するように前記第1磁化固定領域と磁気的に結合する第1強磁性体と、
前記第2固定磁化の向きを固定するように前記第2磁化固定領域と磁気的に結合する第2強磁性体と
を更に備える
磁気抵抗効果素子。 - 請求項1乃至10のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記磁化反転領域は、
前記一端と前記他端との中央に対して前記一端側に位置し、前記中央での断面積と異なる断面積を有する第1領域と、
前記中央に対して前記他端側に位置し、前記中央での断面積と異なる断面積を有する第2領域と
を含む
磁気抵抗効果素子。 - 請求項1乃至11のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記磁化自由層は、磁気的に結合した複数の強磁性層を備えており、
前記複数の強磁性層のうち少なくとも1つが、前記磁化反転領域、前記第1磁化固定領域、及び前記第2磁化固定領域を有する
磁気抵抗効果素子。 - アレイ状に配置された複数の磁気メモリセルを具備し、
前記複数の磁気メモリセルの各々は、
請求項1乃至12のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子と、
データ書き込み時、書き込み電流を前記磁化自由層に供給するためのトランジスタと
を備える
MRAM。 - 請求項13に記載のMRAMであって、
前記データ書き込み時、前記書き込み電流の供給と同時に、外部磁界が前記磁化反転領域に印加される
MRAM。 - 請求項14に記載のMRAMであって、
前記磁化自由層に対して前記書き込み電流を供給するための配線を更に具備し、
前記データ書き込み時、前記配線を流れる前記書き込み電流により、前記外部磁界が同時に生成される
MRAM。
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