JP5382348B2 - 磁気抵抗効果素子、及び磁気ランダムアクセスメモリ - Google Patents
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Description
図1A〜図1Dは、本発明の一実施例の磁気抵抗効果素子の構造を模式的に示している。詳細には、図1Aは斜視図であり、図1B、図1C、及び図1Dは、それぞれ、図1Aに示されるx−y−z座標系におけるx−y平面図、x−z断面図、y−z断面図である。
次に本実施形態の磁気抵抗効果素子の動作方法、具体的には、書き込み方法及び読み出し方法について説明する。
次に、本実施例の磁気抵抗効果素子が集積化されたMRAMメモリセルの回路構成について、図3を用いて説明する。
本実施例の磁気抵抗効果素子の第1の技術的利点は、書き込み電流の低減である。これは、データ書き込みの際に磁壁移動が起こる層である第1磁化自由層10が垂直方向に磁気異方性を有することに起因する。発明者は、スピントランスファートルクを考慮に入れたLLG方程式を用いたマイクロマグネティクス計算を行うことにより、垂直磁気異方性を有する材料で形成される磁壁は面内磁気異方性を有する材料で形成される磁壁に比べると、電流で駆動する場合に必要となる電流密度は十分小さく、一方磁界で駆動する場合に必要となる磁界は十分大きくなることを見出した。Europhysics Letters, vol.69, pp.990−996(2005)に記載されているように、スピントランスファートルクを考慮に入れたLLG方程式によれば、磁化の時間変化(∂m/∂t)は、[1]磁界によるトルクを表す項、[2]ダンピング項、[3]断熱スピントルク項、及び[4]非断熱スピントルク項の和として表される。マイクロマグネティクス計算によれば、垂直磁気異方性を有する材料で形成される磁壁は、1×108[A/cm2]程度の電流密度においても[3]の断熱スピントルク項により駆動され、一方で面内磁化膜の場合には1×108[A/cm2]程度の電流密度では[4]の非断熱スピントルク項がなければ磁壁は駆動されないことがわかった。ここで[3]の断熱スピントルク項による磁壁駆動の場合、過度に大きくないピニングのときには、ピニング磁界に依存せずに磁壁はピンサイトからデピンできることが知られている。従って、[3]の断熱スピントルク項での磁壁駆動が不可能な面内磁気異方性を有する材料に比べて、[3]の断熱スピントルク項での磁壁駆動が可能な垂直磁気異方性を有する材料は、強い磁壁のピニングと低電流密度による磁壁駆動を両立させ易いことがわかる。すなわち垂直磁気異方性を有する材料を用いることにより、熱安定性として十分な値を保った上で書き込みに要する電流を低減することが可能である。
図4A〜図4C、及び図5A〜図5Cは、本実施例の磁気抵抗効果素子の第1変形例の構造を模式的に示している。図4A〜図4Cは、第1変形例の一形態を示しており、図5A〜図5Cは、他の形態を示している。このうち図4A、図5Aは斜視図であり、図4B、図5Bは図4A、図5Aにおけるx−z断面図、図4C、図5Cは図4A、図5Aにおけるy−z断面図を示している。
図6A〜図6C、図7A〜図7C、及び図8A〜図8Cは、本実施例の磁気抵抗効果素子の第2変形例の構造を模式的に示している。第2変形例は、第1磁化自由層10と第2磁化自由層20の位置関係に関する。
図9A〜図9Cは、本実施例の磁気抵抗効果素子の第3変形例の構造を模式的に示している。第3変形例は第2磁化自由層20と第1磁化固定層40の位置関係、大小関係に関する。
図10A、図10B、図11A、図11Bは、本実施例の磁気抵抗効果素子の第4変形例の構造を模式的に示している。第4変形例では、新たに第2磁化固定層60a及び/又は第3磁化固定層60bが設けられる。このうち、図10A、図10Bは、第2磁化固定層60aと第3磁化固定層60bの両方が設けられる構造を示しており、図11A、図11Bは、第2磁化固定層60aのみが設けられる構造を示している。図10A、図11Aは斜視図を、図10B、図11Bは、x−z断面図を示している。なお、図10B、図11Bの断面図では、各層の磁化方向の例が矢印で示されている。
(1)構成元素や組成の異なる材料を用いる。
(2)磁化容易軸の方向や大きさが異なる材料を用いる。
(3)異なる膜厚に設定する。
(4)片方の第2磁化固定層に更なる層を隣接して設ける。
(5)異なるサイズ、異なる形状にパターニングする。
また、これらの5つの方法は組み合わせて用いることもできる。
図12A〜図12Fは、本実施例の磁気抵抗効果素子の第5変形例の構造を模式的に示している。第5の変形例は第1磁化自由層10の形状に関する。
図14A〜図14Cは、本実施例の磁気抵抗効果素子の第6変形例の構造を模式的に示している。図14Aは斜視図を、図14Bはx−z断面図を、図14Cはy−z断面図を示している。なお、図14B、図14Cでは各層の磁化方向の例が矢印で示されている。第6変形例においては、第1磁化固定層40に、複数の強磁性層を含んで構成される積層フェリ結合構成が採用される。
図15A〜図15Cは、本実施例の磁気抵抗効果素子の第7変形例の構造を模式的に示している。図15Aはその斜視図を、図15Bはx−z断面図を、図15Cはy−z断面図を示している。第7変形例においては、第1磁化固定層40に接合するピニング層80が設けられる。
図16A〜図16Cは、本実施例の磁気抵抗効果素子の第8変形例の構造を模式的に示している。図16Aはその斜視図を、図16Bはx−z断面図を、図16Cはy−z断面図を示している。第8の変形例は、各層の積層順に関する。
図17Aは、本実施例の磁気抵抗効果素子の第9変形例の構造を模式的に示した平面図である。本実施例においては、第2磁化自由層20の重心G20は第1磁化自由層10の磁化自由領域12の重心G12に対して面内方向(x−y平面に平行な方向)で特定の方向にずれて設けられる。これまでの図ではこの特定の方向が+y方向に略平行方向になるものとして描かれているが、この特定の方向は任意に決定され得る。従って図17Aに示されるように当該特定の方向がx成分を有していても構わない。また図13A、図13Bを用いて説明されたような第1磁化自由層10が三叉路を形成する形状により構成される場合、図17Bに示されるような第2磁化自由層20の重心G20と磁化自由領域12の重心G12の位置関係となっていても構わない。
図18A〜18C、図19A〜図19C、図20A〜図20Cは、本実施例の磁気抵抗効果素子の第10変形例の構造を模式的に示す図である。詳細には、図18A、図19Aはその斜視図を、図18B、図19Bはx−z断面図を、図18C、図19Cはy−z断面図を示している。図1A〜図1Dには第1磁化自由層10に隣接して第2磁化自由層20が設けられる基本構成が図示され、また、図4A〜図4C、図5A〜図5Cには第1磁化自由層10と第2磁化自由層20の間に導電層50が設けられている構成が図示されているが、第10変形例は、図1A〜図1D、図4A〜図4C、図5A〜図5Cの構成の変形に関する。
Claims (13)
- 第1磁化自由層と、
第2磁化自由層と、
第2磁化自由層に隣接して設けられる非磁性層と、
前記非磁性層に隣接して前記第2磁化自由層とは反対側に設けられる第1磁化固定層と
を具備し、
前記第1磁化自由層は、強磁性体から構成され、且つ、膜厚方向の磁気異方性を有し、
前記第2磁化自由層及び前記第1磁化固定層は、強磁性体から構成され、且つ、面内方向の磁気異方性を有し、
前記第1磁化自由層は、
磁化が固定される第1磁化固定領域と
磁化が固定される第2磁化固定領域と
前記第1磁化固定領域と前記第2磁化固定領域とに接続された、磁化が反転可能な磁化自由領域を有し、
前記磁化自由領域と前記第2磁化自由層とが、磁気的に結合しており、
前記磁化自由領域の重心と前記第2磁化自由層の重心とが、面内方向である特定方向にずれて位置しており、
書き込み電流が、前記磁化自由領域から前記第1磁化固定領域に向かう方向、又は、前記磁化自由領域から前記第2磁化固定領域に向かう方向に流され、
読み出し電流が、前記第2磁化自由層と前記第1磁化固定層の間で流される
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磁化固定層の磁化が、前記特定方向に略平行な方向に固定されている
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、
更に、前記第1磁化自由層と前記第2磁化自由層の間に設けられた導電層を備える
磁気抵抗効果素子。 - 請求項1乃至3のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
更に、
前記第1磁化固定領域と前記第2磁化固定領域の一方に接合された第2磁化固定層を備える
磁気抵抗効果素子。 - 請求項4に記載の磁気抵抗効果素子であって、
更に、
前記第1磁化固定領域と前記第2磁化固定領域の他方に接合された第3磁化固定層を備える
磁気抵抗効果素子。 - 請求項1乃至5のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第1磁化固定領域が前記磁化自由領域の一方の端部に隣接して設けられ、
前記第2磁化固定領域が前記磁化自由領域の他方の端部に隣接して設けられる
磁気抵抗効果素子。 - 請求項1乃至6のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第1磁化固定領域が前記磁化自由領域の一方の端部に隣接して設けられ、
前記第2磁化固定領域が前記磁化自由領域の前記一方の端部に隣接して設けられ、
前記第1磁化固定領域と前記第2磁化固定領域と前記磁化自由領域とが、三叉路を形成する
磁気抵抗効果素子。 - 請求項3に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記導電層が、Fe、Co、Niから選択される少なくとも一つの元素を含有する
磁気抵抗効果素子。 - 請求項1乃至8のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記非磁性層がMgOを含有する
磁気抵抗効果素子。 - 請求項1乃至9のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第2磁化自由層と前記第1磁化固定層のうちの少なくとも一方がCo−Fe−Bを含有する
磁気抵抗効果素子。 - 請求項1乃至10のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第1磁化自由層と前記第2磁化自由層の間に設けられた分流防止層を更に具備する
磁気抵抗効果素子。 - 請求項3に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第1磁化自由層と前記導電層の間に設けられた分流防止層を更に具備する
磁気抵抗効果素子。 - 請求項11又は12に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記分流防止層は、前記第1磁化自由層よりもシート抵抗が大きい膜で形成されている
磁気抵抗効果素子。
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