JP5532436B2 - 磁気メモリ及びその製造方法 - Google Patents
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Description
1−1.磁気メモリ素子の基本構造
はじめに、本発明を適用することができる磁気メモリ素子の典型的な構造について説明する。典型的な電流誘起磁壁移動型の磁気メモリ素子は、磁化状態に応じてデータを記憶するデータ記憶層と、データ記憶層に格納されたデータを読み出すための読み出し機構と、データ記憶層に電流を導入するための電流導入機構とを備える。
図2A及び図2Bは、図1A〜図1Cで示された磁気メモリ素子70が取り得る2つのメモリ状態を示している。ここでは、第1磁化自由層10の磁化固定領域11a、11bの磁化方向はそれぞれ+z方向及び−z方向に固定され、第1磁化固定層30の磁化方向は+z方向に固定されているとする。
次に、図3A及び図3Bを参照して、磁気メモリ素子70へのデータ書き込み方法を説明する。簡単のため、図3A及び図3Bにおいて、第1非磁性層20と第1磁化固定層30の図示は省略されている。本実施の形態によれば、磁気メモリ素子70へのデータ書き込みは、電流誘起磁壁移動方式により行われる。そのために、磁壁DWを有する第1磁化自由層10に接続された上述の電極層50(電流導入機構)が用いられる。2つの電極層50を用いることによって、書き込み電流を第1磁化自由層10内で面内方向に流し、その電流方向に応じた方向に磁壁DWを移動させることができる。すなわち、電流誘起磁壁移動により、第1磁化自由層10の磁化状態を、図2A及び図2Bで示された2つのメモリ状態の間で切り替えることができる。
次に、上述の磁気メモリ素子70を有する磁気メモリセル、及びその磁気メモリセルを備えた磁気メモリの回路構成を説明する。
本発明は、上述のような電流誘起磁壁移動型の磁気メモリ素子70に適用される。その磁気メモリ素子70は、垂直磁気異方性を有するデータ記憶層(第1磁化自由層10)を備えている。上述の非特許文献3によれば、そのような垂直磁気異方性を有するデータ記憶層を用いることにより、電流誘起磁壁移動に要する書き込み電流を低減することが可能である。
上述の通り、第1磁化自由層10において電流誘起磁壁移動を実現する必要がある。非特許文献4(A. Thiaville et al., Domain wall motion by spin-polarized current: a micromagnetic study, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, VOL. 95, NO. 11, pp.7049-7051, 2004.)によれば、電流誘起磁壁移動は、パラメータ:gμBP/2eMsが大きいほど起こり易い。ここで、gはランデのg因子、μBはボーア磁子、Pはスピン分極率、eは電子の素電荷、Msは飽和磁化である。g、μB、eは物理定数であるので、書き込み電流を低減するためには、第1磁化自由層10のスピン分極率Pを大きく、飽和磁化Msを小さくすることが有効であることが分かる。
図7は、本実施の形態に係る下地層15が適用された磁気メモリ素子70の構成を示す側面図である。下地層15は、第1磁化自由層10の基板側に設けられている。そして、第1磁化自由層10は、下地層15を下地として用いることによって、下地層15上に形成される。
膜厚の下限は、次の観点から決定される。その観点とは、第1下地層15Aと第2下地層15Bがある程度厚くないと、第1磁化自由層10の結晶配向がfcc(111)配向にならないということである。第1下地層15Aと第2下地層15Bの膜厚の下限値は、第1磁化自由層10において良好なfcc(111)配向が得られるように決定される。
膜厚の上限は、望ましい書き込み電流の大きさの観点から決定される。上述の通り、下地層15は第1磁化自由層10と隣接している。そのため、本来第1磁化自由層10における電流誘起磁壁移動に寄与すべき書き込み電流が、分流され、下地層15にも流れる。下地層15に流れる書き込み電流の量は、第1磁化自由層10と下地層15との間の抵抗値の比率に依存する。下地層15が厚くなるにつれ、その下地層15の抵抗値は相対的に小さくなるため、書き込み電流が下地層15を流れ易くなる。つまり、書き込み電流のうち比較的多くが第1磁化自由層10ではなく下地層15を流れることになり、電流誘起磁壁移動に寄与しない分も含めて書き込み電流の総量が増大してしまう。このことは、書き込み電流の低減の観点から好ましくない。従って、下地層15の膜厚の上限は、書き込み電流の総量が大きくなり過ぎないように決定される。
これまでは、例として、第1磁化自由層10の材料がCo/Niである場合が説明された。第1磁化自由層10の材料が他のもの(Co/Pd、Co/Pt、CoFe/Pt、CoFe/Pdなど)である場合でも、本発明は実施可能である。それらの材料の抵抗率はCo/Niの抵抗率とおおよそ同等であるため、上述の下地層材料及びその膜厚範囲は同様に適用され、それにより好ましい特性が得られる。
以上に説明されたように、本実施の形態によれば、電流誘起磁壁移動を利用した磁気メモリにおいて、垂直磁気異方性を有する第1磁化自由層10(データ記憶層)を好適に実現することが可能となる。それにより、書き込み電流が低減される。特に、第1磁化自由層10及び下地層15の材料や膜厚を適切に選択することによって、書き込み電流を0.2mA以下にまで低減することが可能となる。書き込み電流が0.2mA以下にまで低減された磁気メモリは、既存のメモリの代替となり得る。
本発明が適用され得る磁気メモリ素子70の形態は、図1A〜図1Cで示されたものに限られない。本発明は、以下に説明されるような形態の磁気メモリ素子70にも適用することができる。
図15A〜図15Cは、磁気メモリ素子70の第1の変形例を示している。図15Aは斜視図であり、図15Bは平面図であり、図15Cは側面図である。第1の変形例は、第1磁化自由層10(データ記憶層)に格納されたデータを読み出すための読み出し機構に関する。具体的には、上述の第1非磁性層20と第1磁化固定層30の代わりに、第2磁化自由層210、第2非磁性層220及び第2磁化固定層230からなるMTJが読み出し機構として設けられる。
第1磁化自由層10は、磁化方向が互いに反平行に固定された第1磁化固定領域11aと第2磁化固定領域11bを含んでいる。そのような反平行な磁化固定を実現するために、第1磁化固定領域11a及び/あるいは第2磁化固定領域11bに隣接して、補助磁性層40が設けられてもよい。
本発明の適用範囲は、図5や図6で示されたような回路構成を有するMRAMに限られない。例えば、本発明は、大容量のメモリデバイスとして特許文献2(米国特許第6,834,005)で提案されているレーストラックメモリに適用することも可能である。レーストラックメモリでは、メモリ領域がトラック状に連続的に設けられている。所望のビットに格納されたデータを読み出す際には、当該トラックに電流を導入することによって所望のビットを読み出し領域まで移動させる。この読み出し過程では、電流誘起磁壁移動が用いられる。従って、本発明に係る膜構成を適用することによって、レーストラックメモリにおける読み出し時の消費電力を低減することができる。
Claims (14)
- 第1下地層と、
前記第1下地層と接触するように前記第1下地層上に形成された第2下地層と、
前記第2下地層と接触するように前記第2下地層上に形成されたデータ記憶層と
を備え、
前記データ記憶層は、垂直磁気異方性を有する強磁性体で形成され、fcc(111)配向結晶構造を有し、
前記データ記憶層の磁化状態は、電流誘起磁壁移動により変化し、
前記データ記憶層は、第1の層と第2の層が積層された積層構造を有し、
前記第1の層は、Fe、Co、Niのいずれか、またはこれらの群から選択される複数の材料からなる合金を含有し、
前記第2の層は、Pt、Pd、Au、Ag、Ni、Cuのいずれか、またはこれらの群から選択される複数の材料からなる合金を含有する
磁気メモリ。 - 請求項1に記載の磁気メモリであって、
前記第1の層は、Coを含有し、
前記第2の層は、Niを含有する
磁気メモリ。 - 請求項2に記載の磁気メモリであって、
前記第1の層の膜厚は、0.15nm以上0.5nm以下であり、
前記第2の層の膜厚は、前記第1の層の膜厚の1倍以上6倍以下である
磁気メモリ。 - 請求項1乃至3のいずれか一項に記載の磁気メモリであって、
前記第1下地層は、第4〜第6族元素を含有し、
前記第2下地層は、第9〜第11族元素を含有する
磁気メモリ。 - 請求項1乃至4のいずれか一項に記載の磁気メモリであって、
前記第1下地層は、Ti、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、Wのいずれか、またはこれらの群から選択される複数の材料からなる合金を含有する
磁気メモリ。 - 請求項5に記載の磁気メモリであって、
前記第1下地層は、少なくともTaを含有する
磁気メモリ。 - 請求項1乃至6のいずれか一項に記載の磁気メモリであって、
前記第2下地層は、Cu、Rh、Pd、Ag、Ir、Pt、Auのいずれか、またはこれらの群から選択される複数の材料からなる合金を含有する
磁気メモリ。 - 請求項7に記載の磁気メモリであって、
前記第2下地層は、Pt、Pdのうち少なくとも一方の材料を含有する
磁気メモリ。 - 請求項4乃至8のいずれか一項に記載の磁気メモリであって、
前記第1下地層の膜厚は、1nm以上10nm以下である
磁気メモリ。 - 請求項4乃至9のいずれか一項に記載の磁気メモリであって、
前記第2下地層の膜厚は、1.1nm以上3nm以下である
磁気メモリ。 - 電流誘起磁壁移動型の磁気メモリの製造方法であって、
第1下地層を形成する工程と、
前記第1下地層を下地として用いることにより、前記第1下地層上に第2下地層を形成する工程と、
前記第2下地層を下地として用いることにより、垂直磁気異方性を有する強磁性体でありfcc(111)配向結晶構造を有するデータ記憶層を前記第2下地層上に形成する工程とを含み、
前記データ記憶層は、第1の層と第2の層が積層された積層構造を有し、
前記第1の層は、Fe、Co、Niのいずれか、またはこれらの群から選択される複数の材料からなる合金を含有し、
前記第2の層は、Pt、Pd、Au、Ag、Ni、Cuのいずれか、またはこれらの群から選択される複数の材料からなる合金を含有する
磁気メモリの製造方法。 - 請求項11に記載の磁気メモリの製造方法であって、
前記第1の層は、Coを含有し、
前記第2の層は、Niを含有する
磁気メモリの製造方法。 - 請求項12に記載の磁気メモリの製造方法であって、
前記第1の層の膜厚は、0.15nm以上0.5nm以下であり、
前記第2の層の膜厚は、前記第1の層の膜厚の1倍以上6倍以下である
磁気メモリの製造方法。 - 請求項11乃至13のいずれか一項に記載の磁気メモリの製造方法であって、
前記第1下地層は、第4〜第6族元素を含有し、
前記第2下地層は、第9〜第11族元素を含有する
磁気メモリの製造方法。
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