JP5360600B2 - 磁気ランダムアクセスメモリ、及び、磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法 - Google Patents
磁気ランダムアクセスメモリ、及び、磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法 Download PDFInfo
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Description
電流駆動磁壁移動を利用したMRAMにおいて、書込み電流を低減できる技術が期待される。
既述のように、電流駆動磁壁移動を利用したMRAMでは、書き込み電流の絶対値が比較的大きくなってしまうことが懸念される。従って、発明者は、以下に示すように、電流駆動磁壁移動を利用したMRAMにおいて、磁化記録層として垂直磁気異方性材料を用いることにより、書込み電流を低減できることを検討した。
そして、磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法は、磁化記録層からピン層へ向かう第1方向に十分に大きな第1磁界を印加して、第1ピン磁性層を除く第2ピン磁性層、磁化記録層、及びバイアス磁性層の磁化を、第1方向に向けるステップと;第1方向と反対の第2方向に、第1磁界よりも小さい第2磁界を印加して、磁化記録層のうち、第1磁化固定領域内におけるバイアス磁性層近傍以外の領域の磁化を、第2方向に向けるステップと;第1方向に第1磁界よりも小さい第3磁界を印加して、第1磁化固定領域におけるバイアス磁性層近傍に形成された磁壁を移動させ、磁化反転領域と第2磁化固定領域との境界に記磁壁を初期化するステップとを具備する。
図4A及び図4Bは、本実施の形態に係る磁気抵抗素子(磁気メモリセル)の一例を示す平面図及び断面図である。その磁気抵抗素子2を磁気メモリセルに用いた例について説明する。図4Bは例えば“0”を記憶した場合を示す。ただし、図4A及び図4Bにおいて、白丸と点及び白丸とバツの記号や白矢印は、各層における磁化方向(紙面に対し垂直上方及び垂直下方や矢印方向)を示している(以下同じ)。
ピン層30は第1ピン磁性層34、非磁性層31、第2ピン磁性層33から構成されている。第1ピン磁性層34の磁化方向と第2ピン磁性層33の磁化方向とは互いに反平行である。この反平行の磁化は、非磁性層としてはRu、Cuなど用い、2つの磁性層間に反強磁性的な結合を作用させることにより得ることができる。また、2つの磁性層の保磁力を異ならせることによっても得ることができる。反平行な磁化配置においては、2つの強磁性層の磁化を最適化することにより、ピン層30から磁化記録層10への漏洩磁界を抑制することができる。
なお、ピンニングサイトは、図3Aで示したようなくびれを用いることにより形成することもできる。
次に、本実施の形態に係る磁気抵抗素子の初期化方法について、図面を参照して説明する。ここでは、第1ピン磁性層34、第2ピン磁性層33、磁化記録層10の磁性膜の特性に応じて、(1)第1の初期化方法、及び、(2)第2の初期化方法について説明する。
図5A〜図5Cは、本実施の形態に係る磁気抵抗素子(磁気メモリセル)の第1の初期化方法を示す断面図である。第1の初期化方法として、第1ピン磁性層34と第2ピン磁性層33との間の反強磁性結合が十分大きく、かつ、各ピン磁性層34、33、バイアス磁性層34aの磁性膜の保磁力が磁化記録層10の保磁力よりも大きい場合について述べる。
図6A〜図6Dは、本実施の形態に係る磁気抵抗素子(磁気メモリセル)の第2の初期化方法を示す断面図である。第2の初期化方法として、第1ピン磁性層34と第2ピン磁性層33との間の反強磁性結合が小さく、かつ、保磁力は第2ピン磁性層33>第1ピン磁性層34、バイアス磁性層34a>磁化記録層10の順に大きい場合について述べる。
次に、磁気抵抗素子(磁気メモリセル)に対するデータの書込み原理を説明する。
図7は、本実施の形態に係る磁気抵抗素子(磁気メモリセル)に対するデータの書込み原理を示す断面図である。データ書き込みは、スピン注入を利用した磁壁移動方式で行われる。書き込み電流Iwは、MTJを貫通する方向ではなく、磁気記録層10内を平面的に流れる。その書き込み電流Iwは、第1磁気固定領域11aに接続された電流供給端子14a、及び、第2磁気固定領域11bに接続された電流供給端子14bのいずれか一方から磁気記録層10に供給される。図7における(a)に示されるように、磁化反転領域13と第1ピン磁性層34の磁化の向きが平行である状態が、データ“0”に対応付けられている。データ“0”状態において、磁化反転領域13の磁化の向きは−Z方向である。磁壁12は、磁化反転領域13と第2磁化固定領域11bとの境界に存在する。一方、図7における(c)に示されるように、磁化反転領域13と第1ピン磁性層34の磁化の向きが反平行である状態が、データ“1”に対応付けられている。データ“1”状態において、磁化反転領域13の磁化の向きは+Z方向である。磁壁12は、磁化反転領域13と第1磁化固定領域11aとの境界に存在する。
次に、磁気抵抗素子(磁気メモリセル)に対するデータの読出し原理を説明する。データ読み出し動作時、読み出し電流は、ピン層30(第1ピン磁性層34、非磁性層31、第2ピン磁性層33)と磁化反転領域13との間を流れるように供給される。例えば、読み出し電流は、電流供給端子14a、14bのいずれか一方から供給される。そして、磁化固定領域11a、11bのいずれか一方、磁化反転領域13、及びトンネルバリヤ層32を経由してピン層30(第1ピン磁性層34、非磁性層31、第2ピン磁性層33)へ流れ、第2ピン磁性層33上部の端子(図示されず)から送出される。あるいは、読み出し電流は、第2ピン磁性層33上部の端子から供給される。そして、ピン層30(第2ピン磁性層33、非磁性層31、第1ピン磁性層34)、トンネルバリヤ層32、及び磁化反転領域13を経由して磁化固定領域11a、11bのいずれか一方へ流れ、電流供給端子14a、14bのいずれか一方から送出される。
図8は、本実施の形態に係る磁気抵抗素子(磁気メモリセル)の変形例を示す断面図である。磁気抵抗素子2aは、強磁性体層である磁化記録層10、ピン層30b、及び、非磁性体層であるトンネルバリヤ層32bを備えている。トンネルバリヤ層32bは、磁化記録層10とピン層30bに挟まれている。これら磁化記録層10、トンネルバリヤ層32b、及びピン層30bによって磁気トンネル接合(MTJ)が形成されている。さらに、ピン層30bは第1ピン磁性層34b、非磁性層31b、第2ピン磁性層33bから構成されている。第1ピン磁性層34bと第2ピン磁性層33bの磁化方向は互いに反平行である。また、第1ピン磁性層34b(及びトンネルバリヤ層32b)は、磁化自由層10のほぼ全領域とオーバーラップしている。しかし、第2ピン磁性層33bは磁化自由層10の一部においてオーバーラップしていない。ここで、バイアス磁性層は、第1ピン磁性層34bと一体であるとみなすことが出来る。また、この磁気抵抗素子2aの磁化記録層10の平面形状は、図4Aと概ね同じである。
図10は、本実施の形態に係るMRAMの構成の一例を示すブロック図である。図10において、MRAM60は、複数の磁気メモリセル1がマトリックス状に配置されたメモリセルアレイ61を有している。このメモリセルアレイ61は、データの記録に用いられる磁気メモリセル1と共に、データ読み出しの際に参照されるリファレンスセル1rを含んでいる。リファレンスセル1rの構造は、磁気メモリセル1と同じである。
Claims (12)
- 垂直磁気異方性を有する強磁性層である磁化記録層と、
非磁性バリア層を介して前記磁化記録層に接続されたピン層と、
非磁性バリア層を介して前記磁化記録層に接続されたバイアス磁性層と
を具備し、
前記磁化記録層は、
反転可能な磁化を有し前記ピン層とオーバーラップする磁化反転領域と、
前記磁化反転領域の第1境界に接続され、磁化の向きが第1方向に固定された第1磁化固定領域と、
前記磁化反転領域の第2境界に接続され、磁化の向きが第2方向に固定された第2磁化固定領域と
を備え、
前記ピン層は、互いに反平行な磁化方向を持つ第1ピン磁性層と第2ピン磁性層とを備え、
前記第1磁化固定領域と前記バイアス磁性層とがオーバーラップし、
前記バイアス磁性層は、前記第2磁化固定領域上にない
磁気メモリセル。 - 請求項1に記載の磁気メモリセルであって、
前記第1磁化固定領域と前記磁化反転領域との境界、前記第2磁化固定領域と前記磁化反転領域との境界にそれぞれ磁壁をピン止めするためのピンサイトが設けられている
磁気メモリセル。 - 請求項2に記載の磁気メモリセルであって、
前記第1磁化固定領域と前記磁化反転領域との境界、及び、前記第2磁化固定領域と前記磁化反転領域との境界の各々において、前記第1磁化固定領域、及び、前記第2磁化固定領域の幅は前記磁化反転領域の幅よりも広い
磁気メモリセル。 - 請求項1乃至3のいずれか一項に記載の磁気メモリセルであって、
前記ピン層は、
前記第1ピン磁性層と前記第2ピン磁性層との間に設けられた非磁性層を備え、
前記バイアス磁性層は、前記第1ピン磁性層及び前記第2ピン磁性層のいずれかと同じ材料である
磁気メモリセル。 - 請求項4に記載の磁気メモリセルであって、
前記第1ピン磁性層と前記第2ピン磁性層の間に反強磁性的な結合がある
磁気メモリセル。 - 請求項4又は5に記載の磁気メモリセルであって、
前記バイアス磁性層は、
前記第1ピン磁性層と同じ材料の場合、前記第1ピン磁性層と同時に形成され、
前記第2ピン磁性層と同じ材料の場合、前記第2ピン磁性層と同時に形成される
磁気メモリセル。 - 請求項1乃至6のいずれか一項に記載の磁気メモリセルであって、
前記第1磁化固定領域と前記第2磁化固定領域の磁化の方向が実質的に反平行である
磁気メモリセル。 - 請求項1乃至7のいずれか一項に記載の磁気メモリセルであって、
前記バイアス磁性層と前記磁化記録層の間の前記非磁性バリア層として絶縁層が配置されている
磁気メモリセル。 - 行列状に配置された請求項1乃至8のいずれか一項に記載の複数の磁気メモリセルを具備する
磁気ランダムアクセスメモリ。 - 磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法であって、
前記磁気ランダムアクセスメモリは、行列状に配置された複数の磁気メモリセルを備え、
前記複数の磁気メモリセルの各々は、
垂直磁気異方性をもつ強磁性層である磁化記録層と、
非磁性バリア層を介して前記磁化記録層に接続されたピン層と、
非磁性バリア層を介して前記磁化記録層に接続されたバイアス磁性層と
を具備し、
前記磁化記録層は、
反転可能な磁化を有し前記ピン層とオーバーラップする磁化反転領域と、
前記磁化反転領域の第1境界に接続され、磁化の向きが第1方向に固定された第1磁化固定領域と、
前記磁化反転領域の第2境界に接続され、磁化の向きが第2方向に固定された第2磁化固定領域と
備え、
前記ピン層は、互いに反平行な磁化方向を持つ第1ピン磁性層と第2ピン磁性層とを備え、
前記第1磁化固定領域と前記バイアス磁性層とがオーバーラップし、
前記磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法は、
前記磁化記録層から前記ピン層へ向かう第1方向に十分に大きな第1磁界を印加して、前記第1ピン磁性層を除く前記第2ピン磁性層、前記磁化記録層、及び前記バイアス磁性層の磁化を、前記第1方向に向けるステップと、
前記第1方向と反対の第2方向に、前記第1磁界よりも小さい第2磁界を印加して、前記磁化記録層のうち、前記第1磁化固定領域内における前記バイアス磁性層近傍以外の領域の磁化を、前記第2方向に向けるステップと、
前記第1方向に前記第1磁界よりも小さい第3磁界を印加して、前記第1磁化固定領域における前記バイアス磁性層近傍に形成された磁壁を移動させ、前記磁化反転領域と前記第2磁化固定領域との境界に前記磁壁を初期化するステップと
を具備する
磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法。 - 請求項10に記載の磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法であって、
前記磁化記録層は、
前記第1磁化固定領域と前記磁化反転領域との境界、及び、前記第2磁化固定領域と前記磁化反転領域との境界の各々において、前記第1磁化固定領域、及び、前記第2磁化固定領域の幅は前記磁化反転領域の幅よりも広い
磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法。 - 磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法であって、
前記磁気ランダムアクセスメモリは、行列状に配置された複数の磁気メモリセルを備え、
前記複数の磁気メモリセルの各々は、
垂直磁気異方性をもつ強磁性層である磁化記録層と、
非磁性バリア層を介して前記磁化記録層に接続されたピン層と、
非磁性バリア層を介して前記磁化記録層に接続されたバイアス磁性層と
を具備し、
前記磁化記録層は、
反転可能な磁化を有し前記ピン層とオーバーラップする磁化反転領域と、
前記磁化反転領域の第1境界に接続され、磁化の向きが第1方向に固定された第1磁化固定領域と、
前記磁化反転領域の第2境界に接続され、磁化の向きが第2方向に固定された第2磁化固定領域と
備え、
前記ピン層は、互いに反平行な磁化方向を持つ第1ピン磁性層と第2ピン磁性層とを備え、
前記第1磁化固定領域と前記バイアス磁性層とがオーバーラップし、
前記磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法は、
前記磁化記録層から前記ピン層へ向かう第1方向に十分に大きな第1磁界を印加して、前記第1ピン磁性層、前記第2ピン磁性層、前記磁化記録層、及び前記バイアス磁性層の磁化を、前記第1方向に向けるステップと、
前記第1方向と反対の第2方向に、前記第1磁界よりも小さい第2磁界を印加して、前記第2ピン磁性層を除く前記第1ピン磁性層、前記磁化記録層、及び前記バイアス磁性層の磁化を、前記第2方向に向けるステップと、
前記第1方向に前記第2磁界よりも小さい第3磁界を印加して、前記磁化記録層のうちの前記第1磁化固定領域における前記バイアス磁性層近傍を除いた領域の磁化を、前記第1方向に向けるステップと、
前記第2方向に前記第1磁界よりも小さい第4磁界を印加して、前記第1磁化固定領域における前記バイアス磁性層近傍に形成された磁壁を移動させ、前記磁化反転領域と前記第2磁化固定領域との境界に前記磁壁を初期化するステップと
を具備する
磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法。
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