JP5615310B2 - 磁気メモリ - Google Patents
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Description
まず、第1実施形態による磁壁移動型の磁気メモリの構造を図1に示す。この第1実施形態の磁気メモリ1は、集積回路(図示せず)が搭載された基板100の上方に配置された記憶素子として機能する磁性細線10と、この磁性細線10へ磁気情報を書き込むための書き込み部16と、磁気情報を読み出すための読み出し部18と、を備えている。基板100と反対側の、磁性細線10の面に隣接して磁壁をピニングするためのピニング層20が設けられる。なお、磁性細線とは、一方向に延在する磁性層を意味する。このピニング層20に対して磁性細線10と反対側に、磁性細線10の延在する方向(長手方向)に沿って電極層40が設けられ、磁性細線10と電極層40との間に絶縁層30が設けられる。したがって、ピニング層20、絶縁層30、および電極層40は、磁性細線10の延在する方向に沿って設けられる。また、磁性細線10と電極層40との間に電圧を発生させ、ピニング層20に電界を印加する電圧発生部50が設けられる。なお、本実施形態の磁気メモリは集積回路が形成された基板上に設けられているが、基板上に設けられていなくともよい。
不規則合金としては、Fe、Co、Niの何れか1種類以上の元素を含む金属もしくは合金が挙げられる。例えば、NiFe合金、NiFeCo合金、あるいはCoFeB合金、CoCr合金、CoPt合金、CoCrTa合金、CoCrPt合金、CoCrPtTa合金、CoCrNb合金等が挙げられる。不規則構造やアモルファス構造を有しているので作製が容易であるとともに、元素の割合により磁気異方性エネルギーや飽和磁化を調整することができる。
規則合金としては、Fe、Co、Niの何れか1種類以上の元素と、Pt、Pdの何れか一種類以上の元素とからなる合金が挙げられる。例えば、合金の結晶構造がL10型の規則合金として、Co50Pd50、Co50Pt50、Fe50Pt50、Fe50Pd50、Fe30Ni20Pd50、Co30Fe10Ni10Pt50、Co30Ni20Pt50等が挙げられる。これらの規則合金は上記組成比に限定されない。これらの規則合金に、Cu、Cr、Ag等の不純物元素を添加して磁気異方性エネルギーや飽和磁化を調整することができる。容易に大きな磁気異方性エネルギーを得ることができる。
フェリ磁性体としては、希土類金属と遷移金属との合金が挙げられる。例えば、Tb(テルビウム)、Dy(ジスプロシウム)、Gd(ガドリニウム)の何れか一種類以上からなる元素と、Fe、Co、Niなどの遷移金属のうちの1種類以上からなる元素で構成されるアモルファス合金が挙げられる。具体例としては、TbFe、TbCo、TbFeCo、DyTbFeCo、GdTbCo、GdFeCo等がある。これらの合金は、組成を調整することで磁気異方性エネルギー、飽和磁化を調整することができる。なお、アモルファスの中には細結晶が混ざっていてもよい。磁性細線10の材料には、小さな飽和磁化を実現できるフェリ磁性体は好ましい。飽和磁化を小さくすると、磁壁移動に必要な電流を小さくできる。
次に、磁性細線10の磁壁のシフト動作について説明する。
磁性細線10の一部には書き込み部16が配置され、磁性細線10の対応するターゲットセル(書き込みたいアドレスのセル:TC−w)の磁化方向を確定することによりデータを書き込む。この書き込み部16には、例えば図7(a)、7(b)に示すような、スピントルク書き込みを用いることができる。図7(a)、7(b)においては、磁性細線10に接するように、中間層16bを介して磁性電極16aが設けられている。中間層16は、非磁性金属層、非磁性半導体層、もしくはトンネルバリア層からなる。
図1に示したように、磁性細線10にはさらに、その一部に、読み出し部18が配置されている。この読み出し部18において、磁性細線10の対応する位置に移動してきたターゲットセルTC−wの磁化方向を読み出す。この読み出し部18には、例えば図9(a)に示すような、磁性細線10に接するようにトンネルバリア層18bを介して磁性電極18aを設けることで、トンネル磁気抵抗効果として信号を読み出す構造を用いることができる。トンネルバリア層18bには、アルミニウム酸化物(AlOx)、アルミニウム窒化物(AlN)、マグネシウム酸化物(MgO)、マグネシウム窒化物、シリコン酸化物(SiO2)、シリコン窒化物(Si−N)、シリコン酸窒化物(Si−O−N)、TiO2、Cr2O3などの材料を用いることができる。磁性電極18aには、磁性細線10の材料およびピニング層20の磁性相24の材料として挙げた材料を用いることができる。
図10に示すように、磁性細線10の一部には、さらに、磁性細線10に形成された磁壁10bを移動させるためのシフト電流が導入される2つの電流導入部60a、60bが設けられ、片方の電流導入部(例えば電流導入部60a)には電流源(図示せず)が接続される。なお、図10に示す切断線A−Aで切断した断面が図1に示されている。
第2実施形態による磁壁移動型の磁気メモリを図11に示す。この第2実施形態の磁気メモリ1は、図1に示す第1実施形態の磁気メモリにおいて、書き込み部16および読み出し部18の代わりに書き込み/読み出し部15を設けた構成となっている。この書き込み/読み出し部15は、第1実施形態の書き込み部16と読み出し部18とを同一構造とし、兼用したものである。
次に、第3実施形態による磁壁移動型の磁気メモリを図12に示す。図12は、第3実施形態の磁気メモリの断面図である。この第3実施形態の磁気メモリは、集積回路(図示せず)が搭載された基板100上に設けられた層間絶縁膜200にトレンチ(穴ともいう)210を形成し、このトレンチ210の側面および底面に沿って、第1実施形態に係る磁性細線10、ピニング層20、絶縁層30、および電極層40を、この順序で積層した構造を有している。すなわち、磁性細線10、ピニング層20、および絶縁層30は、トレンチ210内においてU字形状となるように設けられている。そして、絶縁層30に対してピニング層20と反対側のトレンチ内の領域に電極層40が埋め込まれた構成となっている。また、層間絶縁膜200の上面には、磁性細線10、ピニング層20、絶縁層30、および電極層40が、この順序で積層された構造が設けられ、トレンチ内に設けられた磁性細線10、ピニング層20、絶縁層30、および電極層40とそれぞれ接続する。したがって、電極層30は図12に示すように、T字形状となっている。なお、トレンチ210の底面と、基板100との間の層間絶縁膜200中に書き込み/読み出し部15が設けられている。すなわち、第3実施形態の磁気メモリが、第1、2実施形態の磁気メモリと大きく異なる点は、磁性細線10を基板100に対して縦型に配置した点である。
ピニング層10の機能を調べるために、マイクロマグネティクスを用いてシミュレーションを行った。その結果を図13(a)乃至13(d)を参照して説明する。
ピニングポテンシャルエネルギーを求めた。ピニングポテンシャルエネルギーは、ピニング層20の非磁性相22の長さdGapが4nm、6nmの場合について求めた。求めたピニングポテンシャルエネルギーを図13(d)に示す。図13(d)において、横軸がピニング層20の磁性相24の磁気異方性エネルギーKuを示し、縦軸がピニングポテンシャルエネルギーを示す。図13(d)に示すようにピニングポテンシャルエネルギーは磁性相24の磁気異方性エネルギーKuの大きさに依存している。ピニングポテンシャルエネルギーが大きいほど、磁壁10bは強くピニングされる。およそ2.5ピコergが60kT(kはボルツマン定数、Tは室温)に相当するため、ピニング層が1nmと薄いにも係わらず、磁気異方性エネルギーKuの選定によりHDD(Hard Disk Drive)並みの熱揺らぎ耐性を持たせることができることがわかった。また、磁気異方性エネルギーKuの低下でピニング力は減少した。
次に、実施例2として、第2実施形態の磁気メモリの作製方法について図14乃至図18(d)を参照して説明する。図14は本実施例の磁気メモリの上面図である。スピントルク書き込みとTMR読み出しを用い、書き込み部と読み出し部は兼用し書き込み/読み出し部15とした。磁性細線10の幅は20nmとした。図15(a)乃至図16(b)は、本実施例の磁気メモリの製造工程を示す断面図であり、図14に示す切断線A−A線で切断した断面である。なお、ピニング層20は図2(c)に示す形態のピニング層である。その上面図を図17に示す。このピニング層20は、図17に示すように、磁性細線10に記録する1ビットの寸法が20nmとなるように、ドット径が約10nmでドット間隔が10nmとした。また、図18(a)乃至図18(d)は、本実施例に用いられるピニング層の製造工程を示す断面図である。
次に、実施例3として、ピニング層を付加した磁性細線へスピントルクでデータを書き込み、TMR読み出し方式でデータを読み出す際のそれぞれのタイミングについて図19および図20を参照して説明する。この動作方法は第1乃至第3実施形態のいずれにも適用可能である。
図19に、スピントルク書き込み時のタイミングチャートの一例を示す。まず、シフト移動を行なう。ピニング層20に電界Vpを印加することでピニング力を弱め、磁性細線10にシフト電流Isを流すことで磁壁10bを移動させる。シフト電流Isはピニング層へ電圧Vpが印加されている間に流す。磁性細線10に電流を流している時間幅Tsは、電圧Vpを印加する時間幅Tpに対してTs≦Tpとすることが望ましい。
図20はTMR読み出し時のタイミングチャートである。まず、シフト移動を行なう。ピニング層20に電界Vpを印加することでピニング力を弱め、磁性細線10にシフト電流Isを流すことで磁壁10bを移動させる。シフト電流Isはピニング層20へ電圧Vpが印加されている間に流す。磁性細線10に電流を流している時間幅Tsは、Vpを印加する時間幅Tpに対してTs≦Tpとすることが望ましい。
10 磁性細線
10a 磁区
10b 磁壁
15 書き込み/読み出し部
16 書き込み部
18 読み出し部
20 ピニング層
22 非磁性相
24 磁性相
30 絶縁層
40 電極層
50 電圧発生部
100 基板
Claims (14)
- 一方向に延在するように設けられ、複数の磁区とそれらを区切る複数の磁壁とを備えている磁性層と、
前記磁性層の延在する方向に沿って前記磁性層に隣接して設けられ、非磁性相と磁性相とから構成されたピニング層と、
前記ピニング層に対して前記磁性層とは反対側に設けられた電極層と、
前記ピニング層と前記電極層との間に設けられた絶縁層と、
シフト動作時に前記磁壁をシフトさせるシフト電流を前記磁性層に流す電流導入部と、
前記磁性層に情報を書き込む書き込み部と、
前記磁性層から情報を読み出す読み出し部と、
前記シフト動作時に前記ピニング層と前記電極層との間に印加する電圧を発生する電圧発生部と、
を備えた磁気メモリ。 - 前記磁性層は、集積回路が設けられた基板上に設けられ、前記ピニング層は前記磁性層に対して前記基板とは反対側に設けられることを特徴とする請求項1記載の磁気メモリ。
- 基板上に設けられた絶縁膜であって、前記絶縁膜の表面から前記基板に向かって延在し底面が前記基板に達しないトレンチを有する絶縁膜と、
前記トレンチの側面および前記トレンチの底面に沿って延在するように設けられ、複数の磁区とそれらを区切る複数の磁壁とを備えている磁性層と、
前記トレンチの側面および前記トレンチの底面に沿って前記磁性層に隣接して設けられ、非磁性相と磁性相とから構成されたピニング層と、
前記ピニング層に対して前記磁性層とは反対側に設けられた電極層と、
前記ピニング層と前記電極層との間に設けられた絶縁層と、
シフト動作時に前記磁壁をシフトさせるシフト電流を前記磁性層に流す電流導入部と、
前記磁性層に情報を書き込む書き込み部と、
前記磁性層から情報を読み出す読み出し部と、
前記シフト動作時に前記ピニング層と前記電極層との間に印加する電圧を発生する電圧発生部と、
を備えた磁気メモリ。 - 前記ピニング層の厚さは、0nmを超え10nm以下であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の磁気メモリ。
- 前記ピニング層は、前記磁性相と前記非磁性相とが前記磁性層の延在する方向に交互に配列された構造を有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の磁気メモリ。
- 前記ピニング層は、前記磁性相と前記非磁性相とが前記磁性層の延在する方向に交互に配列されたストライプ構造であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の磁気メモリ。
- 前記ピニング層は、前記非磁性相中に複数の前記磁性相が前記磁性層の延在する方向に配列された構造を有する請求項1乃至4のいずれかに記載の磁気メモリ。
- 前記ピニング層は、前記磁性層の延在する方向に一つの磁性相を挟んで隣接する前記非磁性相間の長さの複数倍の長さがメモリの1ビットの長さに対応することを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の磁気メモリ。
- 前記ピニング層は、前記磁性層の延在する方向に一つの磁性相を挟んで隣接する前記非磁性相間の長さがメモリの1ビットの長さに対応することを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の磁気メモリ。
- 前記ピニング層は、前記磁性相および前記非磁性相のうちの一方の相中に、他方の相が析出したグラニュラー構造を有することを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の磁気メモリ。
- 前記非磁性相は、絶縁体であることを特徴とする請求項1乃至10のいずれかに記載の磁気メモリ。
- 前記非磁性相は、導電体であることを特徴とする請求項1乃至10のいずれかに記載の磁気メモリ。
- 前記書き込み部と前記読み出し部は、一体であって同じ構造を有する請求項1乃至12のいずれかに記載の磁気メモリ。
- 前記ピニング層と前記電極層との間に前記電圧発生部によって電圧が印加されている間に、前記シフト電流を前記電流導入部から前記磁性細線に流す請求項1乃至13のいずれかに記載の磁気メモリ。
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