JP5461683B2 - 磁気メモリセル及び磁気ランダムアクセスメモリ - Google Patents
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Description
図5は、本発明によるMRAMの一例を示す模式図である。本実施例のMRAMは、互いに平行に配置された複数のビット線104と、ビット線104と平行に互いに平行に配置された複数のソース線103と、ビット線104と垂直に配置され互いに平行な複数のワード線105を備え、ビット線104とワード線105の各交点には磁気メモリセル100が配置される。磁気メモリセル100は、磁気抵抗効果素子101と選択トランジスタ102を備えている。これら複数の磁気メモリセルがサブアレイ501を構成しており、MRAMは複数のサブアレイ501で構成されている。磁気抵抗効果素子101は図1に示した構造を有し、固定層106は配線層を介して選択トランジスタ102のドレイン電極に電気的に接続され、記録層107はビット線104に電気的に接続され、ソース線103は配線層を介して選択トランジスタ102のソース電極に電気的に接続されている。また、ワード線105は選択トランジスタ102のゲート電極に電気的に接続されている。ソース線103とビット線104の一端は、電圧印加のための書込みドライバ502とセンス増幅器503に電気的に接続されている。ワード線105の一端はワードドライバ504に電気的に接続されている。
強磁性層601=強磁性層602>固定層>記録層
の関係で大きさが異なるよう設計されている。第1の熱処理工程では、磁気抵抗効果素子の固定層及び記録層の磁化容易軸方向に、強磁性層601,602の異方性磁場より強い磁場を印加して熱処理を行い、固定層及び強磁性層601,602の磁化を着磁する。その後、第2の熱処理工程において、強磁性層601,602の異方性磁場より小さく、固定層の異方性磁場より大きい磁場を第1の熱処理工程と逆向きに印加し、固定層の磁化を着磁する。これらの工程を経ることによって磁化方向を制御することができる。
有効磁場Hexを発生させる強磁性層は、磁気メモリセルの上方にあってもよい。図7は、強磁性層701をサブアレイ501の上方に配置したMRAMの実施例を示す断面摸式図である。
有効磁場Hexを発生させる強磁性層は、磁気メモリセルの上方にあり、磁場を均一に発生させる構造を備えていてもよい。図8Aは本発明によるMRAMの他の実施例の断面摸式図、図8Bはその斜視図である。
強磁性層801>固定層>記録層
の関係で大きさが異なるよう設計されている。また、強磁性層801の磁化803が図8Aの矢印の方向に着磁されている場合について述べたが、強磁性層801の磁化803は、磁気抵抗効果素子の磁化容易軸方向でありかつ固定層106の磁化と逆向きという条件を満たせば、方向は限定されない。
図10は、本発明によるMRAMの他の実施例を示す摸式図である。本実施例では、ビット線に電流を流すことによって発生する電流磁場によって有効磁場Hexを印加する。本実施例のMRAMは、有効磁場Hexをビット線104に流れる電流の大きさで制御するため、ビット線104の一端若しくは両端にビット線の電圧を制御する機構(書込みドライバ502)を備えている。
図11は、本発明によるMRAMの他の実施例を示す摸式図である。本実施例では、ワード線105に電流を流すことによって発生する電流磁場によって磁気メモリセルの記録層に有効磁場Hexを印加する。
実施例1から実施例5記載のMRAMについて、磁気抵抗効果素子101の固定層と記録層の位置関係は、図13のように固定層106がビット線104側にあり、記録層107が選択トランジスタ102側に位置する、いわゆるトップピン構造であってもよい。
図14Aから図14Cは、磁気メモリセルの別の例を示す概念図である。実施例1から実施例6で説明したMRAM中の磁気メモリセルの磁気抵抗効果素子101は、図14Aに示すように、固定層106の非磁性層108と反対側の面に反強磁性層1401を適用してもよい。この場合、固定層106の磁化は、反強磁性層1401によって強く固定される。図14Aは、ボトムピン構造の磁気抵抗効果素子に適用した場合を示し、この場合には固定層106の選択トランジスタ102側端面に反強磁性層1401を適用することになる。
磁気抵抗効果素子の記録層に有効磁場Hexを印加する手段として、磁気抵抗効果素子の膜構成を制御すること等による磁気的な結合や固定層等からの漏洩磁場を用いることが出来る。磁気抵抗効果素子は、電流を印加することによって磁化反転し、P状態とAP状態の間を遷移するが、外部磁場によっても同様に遷移する。
図16は、本発明によるMRAMの磁気メモリセルの他の実施例を示す概略図である。本実施例は、磁気メモリセルを構成する磁気抵抗効果素子101の固定層106と記録層107を、垂直磁気異方性を持つ強磁性材料で作製した例である。
磁気抵抗効果素子の固定層と記録層を、垂直磁気異方性を有する強磁性層で作製した場合、記録層に有効磁場Hexを印加するための強磁性層は、磁気メモリセルの上方に作製してもよい。
強磁性層1702>固定層>記録層
の関係で大きさが異なるよう設計されている。
101 磁気抵抗効果素子
102 選択トランジスタ
103 ソース線
104 ビット線
105 ワード線
106 固定層
107 記録層
108 非磁性層
501 サブアレイ
502 書込みドライバ
503 センス増幅器
504 ワードドライバ
601 強磁性層
602 強磁性層
701 強磁性層
702 層間絶縁層
801 強磁性層
802 局所磁場発生機構
901 非磁性層
902 強磁性層
1401 反強磁性層
1402 強磁性層
1403 非磁性層
1404 強磁性層
1405 強磁性層
1406 非磁性層
1407 強磁性層
1601 絶縁層
1602 非磁性層
1603 強磁性層
1701 層間絶縁層
1702 強磁性層
1801 リターンヨーク
Claims (19)
- 第1の強磁性層と、第2の強磁性層と、前記第1の強磁性層と前記第2の強磁性層の間に形成された非磁性層とを備え、前記第1の強磁性層と前記第2の強磁性層の一方は磁化方向が固定されている固定層であり他方は磁化方向が可変である記録層である磁気抵抗効果素子と、
選択トランジスタと、
前記磁気抵抗効果素子と前記選択トランジスタに直列に電圧を印加する機構とを備え、
前記選択トランジスタのドレイン電極は前記第1の強磁性層と電気的に接続されており、
前記磁気抵抗効果素子は、前記第1の強磁性層から前記第2の強磁性層に第1の閾値電流を超えた電流が流れたとき第1の抵抗値状態になり、前記第2の強磁性層から前記第1の強磁性層に第2の閾値電流を超えた電流が流れたとき第2の抵抗値状態になり、
前記第2の強磁性層から前記第1の強磁性層に電流が流れるように電圧が印加されたときと比べ、前記第1の強磁性層から前記第2の強磁性層に電流が流れるように電圧が印加されたときの前記選択トランジスタの駆動電流が小さくなることに合わせ、前記第1の強磁性層から前記第2の強磁性層へ電流を流すときの前記第1の閾値電流を前記選択トランジスタの駆動電流以下に減少させる向きの磁場を前記記録層に印加する磁場印加機構を備えることを特徴とする磁気メモリセル。 - 請求項1記載の磁気メモリセルにおいて、前記第1の強磁性層が固定層で前記第2の強磁性層が記録層であり、前記第1の抵抗値状態は高抵抗状態で前記第2の抵抗値状態は低抵抗状態であり、前記磁場印加機構は前記固定層の磁化方向と逆向きの磁場を前記記録層に印加し、前記磁場印加機構によって前記記録層に印加される有効磁場Hexの大きさが、次の条件を満たすことを特徴とする磁気メモリセル。
- 請求項1記載の磁気メモリセルにおいて、前記第1の強磁性層が記録層で前記第2の強磁性層が固定層であり、前記第1の抵抗値状態は低抵抗状態で前記第2の抵抗値状態は高抵抗状態であり、前記磁場印加機構は前記固定層の磁化方向と同じ向きの磁場を前記記録層に印加し、前記磁場印加機構によって前記記録層に印加される有効磁場Hexの大きさが、次の条件を満たすことを特徴とする磁気メモリセル。
- 請求項1〜3のいずれか1項記載の磁気メモリセルにおいて、前記固定層の前記非磁性層と反対側の面に反強磁性層が設けられていることを特徴とする磁気メモリセル。
- 請求項4記載の磁気メモリセルにおいて、前記固定層は、磁化の向きが互いに反平行な2層の強磁性層で非磁性層を挟んだ積層フェリ構造を有することを特徴とする磁気メモリセル。
- 請求項1〜5のいずれか1項記載の磁気メモリセルにおいて、前記記録層は、磁化の向きが互いに反平行な2層の強磁性層で非磁性層を挟んだ積層フェリ構造を有することを特徴とする磁気メモリセル。
- 請求項1〜6のいずれか1項記載の磁気メモリセルにおいて、前記第1の強磁性層と前記第2の強磁性層との間に形成された非磁性層は絶縁層であることを特徴とする磁気メモリセル。
- 請求項2又は3記載の磁気メモリセルにおいて、前記記録層に前記有効磁場Hexとして前記固定層からの漏洩磁場を印加することを特徴とする磁気メモリセル。
- 請求項1〜4のいずれか1項記載の磁気メモリセルにおいて、
前記第1の強磁性層及び前記第2の強磁性層は垂直磁気異方性を有し、前記第1の強磁性層と前記第2の強磁性層との間に形成された非磁性層は絶縁層であり、
前記記録層の前記絶縁層と反対側の面に第2の非磁性層を介して第3の強磁性層が積層され、前記固定層の磁化と前記第3の強磁性層の磁化は互いに反平行に固定されていることを特徴とする磁気メモリセル。 - 相互に平行に並べられた複数のビット線と、
前記ビット線と平行に並べられた複数のソース線と、
前記ビット線と交差し且つ互いに平行に並べられた複数のワード線と、
前記ビット線と前記ワード線とが交差する部分に配置された複数の磁気メモリセルとによって構成されたサブアレイを有する磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
前記磁気メモリセルは請求項1又は2記載の磁気メモリセルであり、
前記ビット線は前記第2の強磁性層と電気的に接続されており、
前記ソース線は前記選択トランジスタのソース電極に電気的に接続されており、
前記ワード線は前記選択トランジスタのゲート電極に電気的に接続され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10記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
前記磁気メモリセルの前記第1の強磁性層が固定層で前記第2の強磁性層が記録層であり、前記第1の抵抗値状態は高抵抗状態で前記第2の抵抗値状態は低抵抗状態であり、
前記サブアレイを挟むように前記磁気抵抗効果素子と同じ層に作製された一対の強磁性層を備え、
前記一対の強磁性層の磁化方向は前記固定層の磁化方向と逆向きであ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10記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
前記磁気メモリセルの前記第1の強磁性層が固定層で前記第2の強磁性層が記録層であり、前記第1の抵抗値状態は高抵抗状態で前記第2の抵抗値状態は低抵抗状態であり、
前記サブアレイの上方に層間絶縁層を介して形成され、磁化が前記固定層の磁化と同じ方向に固定された第3の強磁性層を備え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10記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
前記磁気メモリセルの前記第1の強磁性層が固定層で前記第2の強磁性層が記録層であり、前記第1の抵抗値状態は高抵抗状態で前記第2の抵抗値状態は低抵抗状態であり、
前記サブアレイの上方に層間絶縁層を介して形成され、磁化が前記固定層の磁化と逆方向に固定された第3の強磁性層を有し、前記第3の強磁性層は下部に前記ワード線と平行に設けられた凹凸形状の局所磁場発生機構を備え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13記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
前記第3の強磁性層の上に非磁性層を介して第4の強磁性層を備え、前記第4の強磁性層の磁化は前記第3の強磁性層の磁化と逆向きに固定され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10記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
前記磁場印加機構は、前記ビット線の一端若しくは両端に電圧を制御する機構を備え、所望の磁気メモリセルに書込む際、当該磁気メモリセルに接続されたビット線に電流を流すことで発生する磁場を前記所望の磁気メモリセルの記録層に印加す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10記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
前記ビット線と前記ワード線の1つの交点に前記磁気メモリセルが配置されているとき、前記ビット線を共通とし当該交点に隣接する2つの交点のうちいずれか一方のみに前記磁気メモリセルが配置され、
前記ワード線の両端に電圧を制御する機構を備え、
選択された磁気メモリセルに書込む際、
前記選択された磁気メモリセルが配置された交点を形成するワード線に電圧を印加し、
前記選択された磁気メモリセルが配置された交点に隣接する交点のうち前記ビット線を共通とする2つの交点のうち磁気メモリセルが配置されていない交点を形成するワード線に電流を流すことで発生する磁場を前記選択された磁気メモリセルの記録層に印加す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10記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
前記磁気メモリセルの前記第1の強磁性層が固定層で前記第2の強磁性層が記録層であり、前記第1の抵抗値状態は高抵抗状態で前記第2の抵抗値状態は低抵抗状態であり、
前記第1の強磁性層及び前記第2の強磁性層は垂直磁気異方性を有し、
前記サブアレイの上方に層間絶縁層を介して形成され、磁化が前記固定層の磁化と反平行に固定された第3の強磁性層を備え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17記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、前記第3の強磁性層の上方にリターンヨークを備え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17記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、前記サブアレイを形成した基板の裏面に前記第3の強磁性層から発生された磁束を吸収するための第4の強磁性層を備え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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