JP5633729B2 - 磁壁移動素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
1−1.構造
図2は、本発明の第1の実施の形態に係る磁壁移動素子1の構造を示す断面図である。磁壁移動素子1は、例えば、磁壁移動型のMRAMにおいてメモリセルとして用いられる。図2に示されるように、磁壁移動素子1は、磁気記録層10、トンネル絶縁層20、ピン層30、第1構造体40、及び第2構造体50を備えている。
図2に示されるように、磁気記録層10の第1磁化固定領域11及び第2磁化固定領域12は、それぞれ第1端子T1及び第2端子T2に電気的に接続されている。また、ピン層30は、第3端子T3に電気的に接続されている。データ書き込み及びデータ読み出しにおいては、これら第1端子T1〜第3端子T3が適宜用いられる。
データ書き込みは、磁気記録層10中の磁壁を移動させることによって行われる。例として、磁壁を、第1磁化固定領域11側から第2磁化固定領域12側へ移動させる場合を考える。この場合、第1端子T1と第2端子T2との間に所定の電位差が与えられ、第2端子T2から第1端子T1へ書き込み電流が供給される。第3端子T3はオープンに設定される。このとき、書き込み電流は、第2磁化固定領域12から磁化自由領域13を経由して第1磁化固定領域11へ流れる。従って、第1磁化固定領域11と同じスピン状態を有する電子が、第1磁化固定領域11から磁化自由領域13に注入される。これにより、磁壁が第2磁化固定領域12の方へ移動し、その結果、磁化自由領域13の磁化方向が第1磁化固定領域11の磁化方向へ反転する。磁壁を第2磁化固定領域12側から第1磁化固定領域11側へ移動させる場合には、書き込み電流の方向を逆転させればよい。
データ読み出しは、MTJの抵抗値の大小を検出することにより行われる。より詳細には、第3端子T3と第1端子T1あるいは第2端子T2との間に読み出し電流が供給される。例えば、読み出し電流が定電流の場合、端子間の印加電圧と所定の基準電圧とを比較することによって、MTJの抵抗値、すなわち、磁壁移動素子1に記憶されている記憶データを判定することができる。
図4A〜図4Eを参照して、本実施の形態に係る磁壁移動素子1の製造方法を説明する。
既出の図1で示された磁壁移動素子の場合、位置ずれを考慮して、十分なマージンをピン層130とピニング層140、150との間に確保しておく必要がある。このことは、素子の微細化を困難にする。一方、本実施の形態によれば、磁壁移動素子1のMTJは、第1構造体40及び第2構造体50を利用することによって、“自己整合的”に形成される。従って、位置ずれを考慮したマージンを確保する必要はない。その結果、磁壁移動素子の更なる微細化が可能となる。このことは、高集積・大容量の磁壁移動型MRAMの実現にとって有効である。
尚、第1磁性体41と第2磁性体51とで磁気的結合強度を変える例が示されたが、磁気的結合強度を同じにして、片側に磁気シールドを設けてもよい。その場合、外部磁場感度が異なるため、外部磁場を印加した時、磁気シールドのない側だけ磁化反転する。
2−1.構造
図5は、本発明の第2の実施の形態に係る磁壁移動素子1の構造を示す断面図である。第1の実施の形態と重複する説明は適宜省略される。本実施の形態では、既出の図2で示された構造にバッファ磁性層15が追加されている。このバッファ磁性層15は、磁気記録層10とトンネル絶縁層20との間に追加的に設けられている。
データ書き込み方法は、第1の実施の形態と同じである。但し、磁化自由領域13の磁化方向が変わると、バッファ磁性層15の磁化方向も変わることに留意されたい。データ読み出し方法は、第1の実施の形態と同じである。
第1の実施の形態と比較して、バッファ磁性層15を形成する工程(図6参照)が追加される。この工程は、上述の図4Bと図4Cの間に挿入される。すなわち、図6に示されるように、バッファ磁性層15が、磁気記録層10、第1構造体40及び第2構造体50を覆うように全面に形成される。
本実施の形態によれば、第1の実施の形態と同じ効果が得られる。更に、次のような効果も得られる。磁気記録層10の上面は、第1構造体40及び第2構造体50の加工時にダメージを受ける可能性がある。本実施の形態では、バッファ磁性層15が設けられるため、そのような磁気記録層10の上面上に薄いトンネル絶縁層20を直接形成する必要がない。そのため、良質なトンネル絶縁層20が形成され得る。このことは、より安定したMTJ特性につながる。また、磁気記録層10には磁壁移動や熱擾乱耐性に適した材料を適用し、バッファ磁性層15にはMTJ特性に適した材料を適用することによって、書き込み/データ保持特性と読み出し特性とをそれぞれ独立に最適化することができる。
図5で示された構造の場合、バッファ磁性層15は、第1構造体40や第2構造体50上にも形成されている。これは、MTJに並列抵抗が形成されていることを意味する。MTJの抵抗変化が小さくなることを抑制するためには、バッファ磁性層15を薄くして、膜面方向の抵抗値を大きく設計することが望ましい。そこで、図7に示されるような変形例が考えられる。
3−1.構造
図8は、本発明の第3の実施の形態に係る磁壁移動素子1の構造を示す断面図である。第1の実施の形態と重複する説明は適宜省略される。第3の実施の形態では、第1磁化固定領域11が第1構造体40の一部であり、第2磁化固定領域12が第2構造体50の一部である例を示す。
データ書き込み方法及びデータ読み出し方法は、基本的に、第1の実施の形態の場合と同じである。
図9A〜図9Fを参照して、本実施の形態に係る磁壁移動素子1の製造方法を説明する。
本実施の形態によっても、第1の実施の形態と同じ効果が得られる。更に、磁気記録層10が第1磁性体41や第2磁性体51の形成後に形成されるため、第1磁性体41や第2磁性体51の加工時に磁気記憶層10がダメージを受ける心配がない。従って、良好なMTJ特性が得られる。
第4の実施の形態では、既出の第1の実施の形態で示された磁壁移動素子1の膜構成の一具体例を説明する。図10及び図11のそれぞれは、本実施の形態に係る磁壁移動素子1の構造を示す断面図及び平面図である。図12A〜図12Hは、本実施の形態に係る磁壁移動素子1の製造工程を示す断面図である。
上述の通り、第1磁性体41と第1磁化固定領域11との間の磁気的結合の強度と、第2磁性体51と第2磁化固定領域12との間の磁気的結合の強度とは、互いに異なっている。その手法は、第4の実施の形態のように第1磁性体41と第2磁性体51とで材料を変えることだけに限られない。以下に示される様々な手法も可能である。
第6の実施の形態では、既出の第3の実施の形態で示された磁壁移動素子1の膜構成の一具体例を説明する。図18A〜図18Fは、本実施の形態に係る磁壁移動素子1の製造工程を示す断面図である。
5 下地層
10 磁気記録層
11 第1磁化固定領域
12 第2磁化固定領域
13 磁化自由領域
15 バッファ磁性層
15−1 第1高抵抗部
15−2 第2高抵抗部
15−3 低抵抗部
18 側壁絶縁体
20 トンネル絶縁層
30 ピン層
40 第1構造体
41 第1磁性体
42 第1上部絶縁体
43 第1側壁絶縁体
50 第2構造体
51 第2磁性体
52 第2上部絶縁体
53 第2側壁絶縁体
R1 第1領域
R2 第2領域
RM MTJ領域
SS1 第1側面
SS2 第2側面
SU1 第1上面
SU2 第2上面
T1 第1端子
T2 第2端子
T3 第3端子
Claims (8)
- 磁化方向が第1方向に固定された第1磁化固定領域と、磁化方向が第2方向に固定された第2磁化固定領域と、前記第1磁化固定領域と前記第2磁化固定領域との間に挟まれ磁化方向が可変である磁化自由領域と、を含む磁気記録層と、
前記第1磁化固定領域と磁気的に結合し前記第1磁化固定領域の前記磁化方向を固定する第1磁性体、を備える第1構造体と、
前記第2磁化固定領域と磁気的に結合し前記第2磁化固定領域の前記磁化方向を固定する第2磁性体、を備える第2構造体と、
前記磁化自由領域の少なくとも一部の上面、前記第1構造体の前記第1構造体と前記第2構造体との間に挟まれた領域に面する第1側面、及び前記第2構造体の前記領域に面する第2側面上に形成されたトンネル絶縁層と、
前記トンネル絶縁層上に形成され、磁化方向が固定されたピン層
を備える
磁壁移動素子。 - 磁化方向が第1方向に固定された第1磁化固定領域と、磁化方向が第2方向に固定された第2磁化固定領域と、前記第1磁化固定領域と前記第2磁化固定領域との間に挟まれ磁化方向が可変である磁化自由領域と、を含む磁気記録層と、
前記第1磁化固定領域と磁気的に結合し前記第1磁化固定領域の前記磁化方向を固定する第1磁性体、を備える第1構造体と、
前記第2磁化固定領域と磁気的に結合し前記第2磁化固定領域の前記磁化方向を固定する第2磁性体、を備える第2構造体と、
前記磁化自由領域の前記少なくとも一部の上面、前記第1構造体の前記第1側面、及び前記第2構造体の前記第2側面上に形成されたバッファ磁性層と、
前記バッファ磁性層上に形成されたトンネル絶縁層と、
前記トンネル絶縁層上に形成され、磁化方向が固定されたピン層と
を備える
磁壁移動素子。 - 請求項2に記載の磁壁移動素子であって、
前記バッファ磁性層は、
前記磁化自由領域の前記少なくとも一部の前記上面上に形成された低抵抗部と、
前記第1構造体の前記第1側面上に形成され、前記低抵抗部より高い抵抗値を有する第1高抵抗部と、
前記第2構造体の前記第2側面上に形成され、前記低抵抗部より高い抵抗値を有する第2高抵抗部と
を備える
磁壁移動素子。 - 請求項1乃至3のいずれか一項に記載の磁壁移動素子であって、
前記第1構造体は、前記第1磁性体と前記磁気トンネル接合との間の少なくとも一部に介在する第1絶縁体を更に備え、
前記第2構造体は、前記第2磁性体と前記磁気トンネル接合との間の少なくとも一部に介在する第2絶縁体を更に備える
磁壁移動素子。 - 請求項1乃至4のいずれか一項に記載の磁壁移動素子であって、
前記第1構造体は、前記第1磁化固定領域の上に形成され、
前記第2構造体は、前記第2磁化固定領域の上に形成されている
磁壁移動素子。 - 請求項1乃至4のいずれか一項に記載の磁壁移動素子であって、
前記磁気記録層は、前記第1磁性体及び前記第2磁性体を覆うように形成され、
前記第1構造体は、前記第1磁化固定領域を含み、
前記第2構造体は、前記第2磁化固定領域を含む
磁壁移動素子。 - 請求項1乃至6のいずれか一項に記載の磁壁移動素子であって、
前記第1磁性体と前記第1磁化固定領域との間の磁気的結合の強度と、前記第2磁性体と前記第2磁化固定領域との間の磁気的結合の強度とは、互いに異なっている
磁壁移動素子。 - 磁気記録層を形成する工程と、
第1領域における前記磁気記録層に隣接するように第1構造体を形成する工程と、
第2領域における前記磁気記録層に隣接するように第2構造体を形成する工程と、
トンネル絶縁層を形成する工程と、
前記トンネル絶縁層上に、磁化方向が固定されたピン層を形成する工程と
を有し、
前記第1構造体は、第1磁性体を備え、
前記第2構造体は、第2磁性体を備え、
前記磁気記録層は、
前記第1磁性体と磁気的に結合し、前記第1磁性体によって磁化方向が第1方向に固定された第1磁化固定領域と、
前記第2磁性体と磁気的に結合し、前記第2磁性体によって磁化方向が第2方向に固定された第2磁化固定領域と、
前記第1磁化固定領域と前記第2磁化固定領域との間に挟まれ、磁化方向が可変である磁化自由領域と
を備え、
前記トンネル絶縁層が、前記磁化自由領域の少なくとも一部の上面、前記第1構造体の前記第1構造体と前記第2構造体との間に挟まれた領域に面する第1側面、及び前記第2構造体の前記領域に面する第2側面上に形成された
磁壁移動素子の製造方法。
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