JP5723311B2 - 磁気トンネル接合素子および磁気メモリ - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、磁気トンネル接合素子および磁気メモリに関する。

磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ素子）を記憶素子とする磁気抵抗メモリ（ＭＲＡＭ(Magnetic Random Access Memory)）は、無限回の書き換えが可能で、データ保持特性も無限長であることから、次世代メモリとして注目されている。

ＭＴＪ素子はトンネルバリア層を強磁性層で挟んだ構造をしており、上下の強磁性層の磁化の向きによって抵抗が変化する、抵抗変化素子である。上下の強磁性層の磁化が平行の場合は抵抗が低く、反平行の場合は抵抗が高くなる。このため、ＭＴＪ素子の抵抗を測定することで「平行」と「反平行」を区別できる。強磁性層の磁化は外部から磁場や電流を与えない限り永久に変化しないため、「平行」あるいは「反平行」は永久に変化しない。このため、ＭＴＪ素子は不揮発メモリの記憶素子として利用することができる。

上述の通り、ＭＴＪ素子はいわゆる二端子の抵抗変化素子である。平面上に複数の導電線を平行に並べたワード線と、ワード線の上に、ワード線と交差する方向に複数の導電線を平行に並べたビット線を重ね、ワード線とビット線の交点（クロスポイント）において、ワード線とビット線を二端子の抵抗変化素子でつなぐことで、いわゆるクロスポイント型の大容量メモリを構成することができる。ワード線（あるいはビット線）に電圧を印加し、ビット線（あるいはワード線）に流れる電流を読むことで、交点の抵抗変化素子の抵抗状態を読むことができる。クロスポイント型のメモリは、導電線をライン＆スペース構造で作成できるため、高密度化が容易である。このため、ＭＴＪ素子をクロスポイント上に並べたクロスポイント型ＭＲＡＭは次世代の大容量不揮発メモリとして期待できる。

しかし、クロスポイント型ＭＲＡＭはＭＴＪ素子に起因する下記の問題がある。

まず、ＭＴＪ素子の電流電圧特性は電圧の正負について対称である。また、「平行」状態の抵抗と「反平行」状態の抵抗の比（ＭＲ）比は最大で６００％程度であり、１桁も違わない。つまり、高抵抗状態でも電流を遮断することはできず、比較的大きな電流が流れる。

一方、クロスポイント型の大容量メモリでは、複数のビット線のうちの一本のビット線と、複数のワード線のうちの一本のワード線との間に電圧を印加して抵抗を読むことでデータ読み出しを行う。この場合、同じビット線もしくは同じワード線上にあるすべてのＭＴＪ素子に電圧が印加されてしまう。

上述の通り、ＭＴＪ素子は電圧の方向に関わらず電流が流れ、かつ、高抵抗状態において電流を遮断することはできないので、選択されたビット線と選択されたワード線の間には、選択されたＭＴＪ素子以外にも、他のビット線やワード線を介してたくさんの伝導パス、すなわち回り込み電流が存在する。このため、読み出しの際に誤読み出しが起こりやすい。

この問題を回避するために、ＭＲＡＭではＭＴＪ素子に直列に選択トランジスタを設けている。ＭＴＪ素子にアクセスしたいときだけ、トランジスタを開いてＭＴＪ素子の情報を読み出したり書き込んだりする。しかし、トランジスタは面積が大きいため、各メモリセルにＭＴＪ素子の他に選択トランジスタを設けると、メモリセルの面積が大きくなり、大容量化が難しくなる。最小加工寸法をＦとすると、１セルあたり８Ｆ^２以上の面積が必要となる。

一方、ＭＴＪ素子にダイオードを接続して逆向きに電流が流れることを防いで、回り込み電流を抑制するという方法も考えられる。ダイオードはＭＴＪ素子に積層して作ることができるので、この方法では１セルあたり４Ｆ^２程度まで小さくすることができる。しかし、ダイオードは電流が一方通行となるため、スピン注入書き込み方式を利用するＭＴＪ素子の書き換えが不可能となる。そこでＭＴＪ素子の磁化方向を書き換えるには、別に設けた導電線から局所的に磁場を発生させるしかないが、これでは消費電力が非常に大きくなってしまう。

このため、ＭＴＪ素子にある程度の電圧がかかった時のみＭＴＪ素子として動作する、抵抗変化スイッチ機能が備わっていることが望ましい。

抵抗変化スイッチ機能を持つＭＴＪ素子が知られている。この抵抗変化スイッチ機能を持つＭＴＪ素子は、トンネルバリア層に抵抗変化機能を付加したものである。しかし、トンネルバリア層の抵抗変化を利用するため、トンネルバリア層の劣化によってＭＴＪ素子が磁気抵抗を示さなくなる恐れがある。

特開２００９−５９８０７号公報 米国特許出願公開第２００９／０１７９２４５号明細書

本実施形態は、劣化の少ない抵抗変化機能を備えた磁気トンネル接合素子および磁気メモリを提供する。

本実施形態による磁気トンネル接合素子は、第１および第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に設けられたトンネルバリア層と、前記トンネルバリア層と前記第２強磁性層との間に設けられ、イオン源となる金属元素を含むイオン源層およびイオン伝導層の積層構造を有する抵抗変化層と、を備え、前記抵抗変化層の厚さは、前記金属元素のスピン緩和長以下であることを特徴とする。

第１実施形態による磁気トンネル接合素子を示す断面図。 第１実施形態の変形例による磁気トンネル接合素子を示す断面図。 抵抗変化層の電流―電圧特性を示す図。 図３（ａ）、３（ｂ）はそれぞれ、低抵抗状態および高抵抗状態における読み出しおよび書き込みを説明する図。 図４（ａ）、４（ｂ）は、読み出し方法を説明する波形図。 図５（ａ）、５（ｂ）は、書き込み方法を説明する波形図。 第２実施形態による磁気トンネル接合素子を示す断面図。 図７（ａ）、７（ｂ）は、第２実施形態における書き込み方法を説明する図。 図８（ａ）、８（ｂ）は、第２実施形態における書き込み方法を説明する図。 抵抗変化層の電流―電圧特性を示す図。 第２実施形態の変形例による磁気トンネル接合素子を示す断面図。 第３実施形態による磁気メモリを示す斜視図。 第３実施形態の第１変形例による磁気メモリを示す斜視図。 第３実施形態の第２変形例による磁気メモリを示す斜視図。 第３実施形態の第３変形例による磁気メモリを示す斜視図。 第４実施形態による磁気メモリを示す斜視図。 第４実施形態の第１変形例による磁気メモリを示す斜視図。 第４実施形態の第２変形例による磁気メモリを示す斜視図。

以下に、実施形態について図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
第１実施形態による磁気トンネル接合素子（以下、ＭＴＪ素子ともいう）を図１Ａに示す。この第１実施形態のＭＴＪ素子１は、強磁性層１１、トンネルバリア層１３、イオン伝導層１５ａ、イオン源層１５ｂ、および強磁性層１７がこの順序で積層された構造を有している。なお、逆の順序で積層された構造、すなわち強磁性層１７、イオン源層１５ｂ、イオン伝導層１５ａ、トンネルバリア層１３、および強磁性層１１がこの順序で積層された構造であってもよい。イオン伝導層１５ａおよびイオン源層１５ｂが抵抗変化層１５を構成する。

強磁性層１１は、Ｃｏ、Ｆe、Ｎｉ、又はこれらを含む合金である。例えばＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅなどの強磁性体を用いることができる。ここでは、例として強磁性層１１がＣｏＦｅＢであるとして説明する。トンネルバリア層１３は例えばＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３などの絶縁体であり、厚さは例えば１ｎｍ〜２ｎｍである。ここでは例としてトンネルバリア層１３が１ｎｍのＭｇＯ層であるとして説明する。イオン伝導層１５ａは、例えばアモルファスシリコン（以下、ａ−Ｓｉともいう）などのアモルファス半導体、ＳｉＯ_２、ＨｆＯｘ、ＡｌＯｘ、ＴａＯｘなどの金属酸化物、またはＧｅＳ、ＧｅＳｅ、Ａｇ_２Ｓ、ＣｕＳなどのカルコゲナイドである。ここでは例としてイオン伝導層１５ａがａ−Ｓｉであるとして説明する。イオン源層１５ｂは以下に述べるように、電子スピンを伝導する金属を含んでいる必要がある。電子スピンを伝導する金属とは、例えばＡｇやＣｕ等である。ここでは例としてイオン源層１５ｂがＡｇまたはＡｇを含む金属であるとして説明する。強磁性層１７は、強磁性層１１と同様に、Ｃｏ、Ｆe、Ｎｉ、又はこれらを含む合金を用いることができる。例えばＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅなどの強磁性体を用いることができる。ここでは、例として強磁性層１７がＣｏＦｅＢであるとして説明する。

Ａｇのイオン源層１５ｂに接続するａ−Ｓｉのイオン伝導層１５ａは、図２に示すように、一定以上の電圧がかかると高抵抗状態から低抵抗状態へ遷移する。この際、抵抗は３桁以上の大きな変化を示す。しかし、印加する電圧をゼロボルトに戻すと、再び高抵抗状態へ遷移する。この変化は電圧が正でも負でも対称に起こる。

この抵抗変化は下記のメカニズムで起こる。ａ−Ｓｉのイオン伝導層１５ａはＡｇのイオン源層１５ｂに接しており、イオン伝導層１５ａの内部にはＡｇイオンが存在する。一定以上の電圧（以下、セット電圧と呼ぶ）が印加されると、Ａｇイオンが移動して、イオン伝導層１５ａの内部に電流が流れるフィラメントと呼ばれる伝導パスが形成される。ａ−Ｓｉ内部のＡｇは拡散しやすいため、電圧の印加を停止するとＡｇフィラメントは直ちに崩壊する。したがって、ある程度の電圧を印加すればＡｇフィラメントが形成されて急激に低抵抗化するが、電圧をゼロボルトに戻すとＡｇフィラメントが崩壊して高抵抗化するのである。

抵抗変化層１５は上層と下層が異なっている非対称構造を有しているため、電流電圧特性は電圧の正負で非対称になる恐れがあるが、電圧印加によってＡｇがａ−Ｓｉのイオン伝導層の内部に拡散することで、あらゆる方向からＡｇ供給が行われる。このため、結果として電圧の正負に対して対称な電流電圧特性が得られる。より対称性を高めるために、予め熱処理等を行ってイオン源層１５ｂの金属であるＡｇをａ−Ｓｉのイオン伝導層１５ａ中に拡散させておいても良い。

以下の説明においては、強磁性層１１は磁化の方向が固定された参照層（固定層）であり、強磁性層１７は磁化の方向が可変の記憶層（フリー層）として説明する。しかし、強磁性層１７が磁化の方向が固定された参照層（固定層）であり、強磁性層１１が磁化の方向が可変の記憶層（フリー層）であってもよい。なお、磁化の方向が可変とは、書き込み電流をＭＴＪ素子に流したときに、参照層なる強磁性層１１の磁化の方向が書き込みの前後で不変であることを意味する。磁化の方向が可変とは、書き込み電流をＭＴＪ素子に流したときに、記憶層なる強磁性層１７の磁化の方向が可変であることを意味する。また、強磁性層１１および強磁性層１７の磁化の方向は共に、膜面に平行であっても良いし、膜面に垂直であってもよい。ここで、膜面とは、素子の積層方向に垂直な面を意味する。なお、磁化の方向が膜面に垂直となる強磁性層としては、高い垂直磁気異方性を有する材料を用いる。

（読み出し方法）
次に、読み出し方法について説明する。

今、図３（ａ）に示すように、強磁性層１１の磁化と強磁性層１７の磁化が平行である場合を考える。強磁性層１１、１７間にセット電圧を印加すると、ａ−Ｓｉのイオン伝導層１５ａにＡｇフィラメント１６が形成される。上述のように、電子スピンはＡｇ中を伝導することができる。したがって、強磁性層１７中の電子はスピンを保ったままＡｇのイオン源層１５ｂおよびＡｇフィラメント１６の内部を伝導してＭｇＯのトンネルバリア層１３に達する。ＭｇＯのトンネルバリア層１３に到達した電子は強磁性層１１へとトンネルするが、強磁性層１５と強磁性層１１の磁化は平行であるため、平行状態のＭＴＪ素子として動作する。平行状態の磁気抵抗は低抵抗である。

逆に、図３（ｂ）に示すように、強磁性層１１の磁化と強磁性層１７の磁化が反平行である場合を考える。この場合、強磁性層１１、１７間にセット電圧を印加すると、やはりａ−Ｓｉのイオン伝導層１５ａの内部にＡｇフィラメント１６が形成されて、強磁性層１７の電子はスピンを保ったままＭｇＯのトンネルバリア層１３に到達し、強磁性層１１へトンネルする。このとき、強磁性層１７の磁化は強磁性層１１の磁化と反平行であるため、反平行状態のＭＴＪ素子として動作する。反平行状態の磁気抵抗は高抵抗となる。

以上のように、強磁性層１１と強磁性層１７の磁化の向きを、抵抗の高低によって「読み出す」ことができる。

以上の読み出し工程を図４（ａ）、４（ｂ）に示す。図４（ａ）、４（ｂ）はそれぞれ、読み出し工程において、強磁性層１１、１７間に印加される電圧および電流を示す波形図である。まず、ａ−Ｓｉのイオン伝導層１５ａ中にＡｇフィラメント１６を形成するため、セット電圧を印加する（時刻ｔ_１）。Ａｇフィラメント１６は数十ｎ秒程度で形成されるため、印加時間は１０ｎ秒〜１００ｎ秒程度で十分である。なお、セット電圧の印加中は、外部回路によってＭＴＪ素子に流れる電流を所定の範囲（例えば、８μＡ〜１２μＡ）となるように制限し、過度に電流が流れて強磁性層１１、１７の磁化の向きが変わったり、ａ−Ｓｉのイオン伝導層１５ａが破壊されたりすることを防ぐ。

次に、読み出しのための電圧を印加する（時刻ｔ_２、ｔ_３）。Ａｇフィラメント１６の崩壊を防ぐため、Ａｇフィラメント１６を形成する電圧（セット電圧）を印加後に続けて印加することが望ましい。この読み出し電圧はセット電圧よりも低くても良い。読み出し電圧がセット電圧よりも低い場合、読み出しの際に素子を流れる電流に電流制限がかかりにくく、より正確に読み出すことができる。電流は外部の読み出し回路へと流れ、読み出し回路に電荷が蓄積されるとともに電流も低くなってゆく。

強磁性層１１と強磁性層１７の磁化の向きに関わらず、セット電圧以上の電圧を印加しない限り、イオン伝導層１５ａの内部にＡｇフィラメント１６が形成されないため、セット電圧未満ではＭＴＪ素子は絶縁的になってＭＴＪ素子として動作しない。このため、クロスポイント構造においては、選択したワード線と選択したビット線の間にセット電圧を印加し、非選択のワード線および非選択のビット線にセット電圧未満の電圧を印加すれば、非選択のセルのＭＴＪ素子は絶縁的なままで電流は一切流れず、クロスポイント構造で問題であった誤読み出しの問題が回避される。セット電圧以上の電圧を印加してフィラメントが形成されても、電圧の印加をやめればフィラメントは崩壊して絶縁的になるため、選択されたＭＴＪ素子も読み出しが終わった後は、絶縁的になり、後に別のＭＴＪ素子を読み出すときに誤読み出しを引き起こすことはない。

（書き込み方法）
次に、書き込み方法について図５（ａ）、５（ｂ）を参照して説明する。図５（ａ）、５（ｂ）はそれぞれ、書き込み工程において、強磁性層１１、１７間に印加される電圧および電流を示す波形図である。

今、図３（ａ）に示すように、強磁性層１７の磁化の方向が強磁性層１１の磁化の方向と平行である場合を考える。この場合に、強磁性層１７の磁化の方向を反転させて、強磁性層１１の磁化方向と反平行とする書き込みは、以下のように行われる。まず、強磁性層１１から強磁性層１７に電流が流れるように、強磁性層１１、１７間にセット電圧を印加する（図５（ａ）、５（ｂ）の時刻ｔ_１参照）。すると、イオン伝導層１５ａ内にＡｇフィラメント１６が形成される。Ａｇフィラメントが形成された後も、セット電圧を印加し続ける。そして、書き込み電流を強磁性層１１からトンネルバリア層１３および抵抗変化層１５を介して強磁性層１７に流す（時刻ｔ_２）。このとき、電子は、強磁性層１７から抵抗変化層１５およびトンネルバリア層１３を介して強磁性層１１に流れる。この電子は、強磁性層１７を通過する際にスピン偏極される。そして、このスピン偏極された電子は、イオン源層１５ｂ、イオン伝導層１５ａのＡｇフィラメント１６、およびトンネルバリア層１３を介して強磁性層１１に流れる。強磁性層１１の磁化と同じ方向のスピンを有する電子は、強磁性層１１を通過する。強磁性層１１の磁化と反平行なスピンを有する電子は、強磁性層１１とトンネルバリア層１３との界面で反射され、トンネルバリア層１３、Ａｇフィラメント１６、イオン源層１５ｂを介して、強磁性層１７に流入する。すると、スピントランスファトルクにより、強磁性層１７の磁化の方向が反転し、強磁性層１７の磁化の方向が強磁性層１１の磁化の方向と反平行となる。その後、書き込み電流を０にし、書き込みを終了する（時刻ｔ_３）。

次に、図３（ｂ）に示すように、強磁性層１７の磁化の方向が強磁性層１１の磁化の方向と反平行である場合を考える。この場合に、強磁性層１７の磁化の方向を反転させて、強磁性層１１の磁化方向と平行とする書き込みは、以下のように行う。まず、強磁性層１７から強磁性層１１に電流が流れるように、強磁性層１１、１７間にセット電圧を印加する（図５（ａ）、５（ｂ）の時刻ｔ_１参照）。すると、イオン伝導層１５ａ内にＡｇフィラメント１６が形成される。Ａｇフィラメントが形成された後も、セット電圧を印加し続ける。そして、書き込み電流を強磁性層１７から抵抗変化層１５およびトンネルバリア層１３を介して強磁性層１１に流す。このとき、電子は、強磁性層１１からトンネルバリア層１３および抵抗変化層１５を介して強磁性層１７に流れる。この電子は、強磁性層１１を通過する際にスピン偏極される。そして、このスピン偏極された電子は、トンネルバリア層１３、イオン伝導層１５ａのＡｇフィラメント１６、およびイオン源層１５ｂを介して強磁性層１７に流れる。強磁性層１７の磁化と同じ方向のスピンを有する電子は、強磁性層１７を通過する。強磁性層１７の磁化と反平行なスピンを有する電子によるスピントランスファトルクにより、強磁性層１７の磁化の方向が反転し、強磁性層１７の磁化の方向が強磁性層１１の磁化の方向と平行となる。

本実施形態のＭＴＪ素子においては、スピンがイオン源層１５ｂおよびイオン伝導層１５ａの内部のフィラメント１６を伝導する。したがって、イオン源層１５ｂとイオン伝導層１５ａの厚さはスピン緩和長以下であることが望ましい。イオン源層１５ｂがＡｇである場合、スピン緩和長は３００ｎｍ程度である。このため、Ａｇのイオン源層１５ｂとａ−Ｓｉのイオン伝導層１５ａの厚さの合計は３００ｎｍ以下であることが好ましい。ａ−Ｓｉ／Ａｇの抵抗変化はａ−Ｓｉが数ｎｍ〜数十ｎｍで起こる。また、イオン伝導層１５ａとしてＳｉＯ_２を用い、イオン源層１５ｂとしてＡｇを用いた場合、ＳｉＯ_２／Ａｇからなる抵抗変化層１５の抵抗変化はＳｉＯ_２層１５ａが数ｎｍで起こる。その他の酸化膜、カルコゲナイドをイオン伝導層として用いた場合、抵抗変化が起こるのはおおむね１００ｎｍ以下の膜厚である。一方、イオン源層１５ｂはＡｇ、Ｃｕなどのフィラメント形成のイオン源を供給するための層であり、膜厚に対する感度はほとんどなく、数ｎｍ程度で問題なく動作する。従って、イオン源層１５ｂとイオン伝導層１５ａの膜厚の合計は数十ｎｍ以下であり、スピン緩和長に比べて十分薄くすることができる。

通常、ＭＴＪ素子の面積は小さい方が好ましい。なぜなら、面積が小さい方が系の全抵抗に占めるＭＴＪ素子の抵抗の割合が大きくなるため、読み出しが容易になるからである。本実施形態においては、電子スピンはＡｇフィラメント１６の先端からＭｇＯのトンネルバリア層１３をトンネルして強磁性層１１へと至る。Ａｇフィラメント１６は幅が１０ｎｍ以下であるため、トンネル接合の面積としては極めて小さいものとなり、トンネル接合面積が５０ｎｍ程度である従来のＭＴＪ素子に比べてよりＭＲＡＭに適した構造である。

本実施形態では、ＭＴＪ素子のトンネルバリア層と抵抗変化層は別々の層である構造のため、従来の場合のようなトンネルバリア層の劣化は起こらない。

なお、第１実施形態においては、図１Ｂに示すように、イオン伝導層１５ａを強磁性層１７側に配置し、イオン源層１５ｂをトンネルバリア層１３側に配置してもよい。

以上説明したように、本実施形態によれば、劣化の少ない抵抗変化機能を備えた磁気トンネル接合素子を得ることができる。

（第２実施形態）
第２実施形態によるＭＴＪ素子を図６に示す。この第２実施形態のＭＴＪ素子１Ａは、図１Ａまたは図１Ｂに示す第１実施形態またはその変形例のＭＴＪ素子１において、強磁性層１７に対してイオン源層１５ｂと反対側に強磁性層１９が設けられ、強磁性層１７と強磁性層１９との間に非磁性金属層１８が設けられた構成を有している。なお、図６においては、図１Ａに示す第１実施形態のＭＴＪ素子において、強磁性層１７に対してイオン源層１５ｂと反対側に強磁性層１９が設けられ、強磁性層１７と強磁性層１９との間に非磁性金属層１８が設けられた構成となっている。強磁性層１９は磁化の方向が固定され、強磁性層１１の磁化の方向と反平行となっている。非磁性金属層１８は、強磁性層１７と強磁性層１９との磁気的カップリングを防止し、数ｎｍ程度の厚さを有している。なお、第２実施形態も第１実施形態と同様に、イオン伝導層１５ａを強磁性層１７側に配置し、イオン源層１５ｂをトンネルバリア層１３側に配置してもよい。

固定層と記憶層の作り分けは、最も単純には材料を変えることで作り分けることができる。本実施形態の場合、記憶層となる強磁性層１７の材料として、固定層となる強磁性層１１、１９の材料よりも磁化反転しやすい材料、例えば、保磁力の小さい材料、または摩擦係数（ダンピングファクタ）の小さい材料を用いる。あるいは、同一材料でも下記のように作り分けることができる。すなわち、強磁性層１１、１９の厚さを、強磁性層１７に比べて厚くしておく。強磁性層の磁化反転のしやすさは、強磁性層の体積で決まる。断面積が同一の場合は膜厚で決まり、膜厚が薄い方が反転しやすく、厚い方が反転しにくい。例えば、強磁性層１１、１７、１９として、ＣｏＦｅＢを用いた場合、強磁性層１７は厚さが２ｎｍ〜３ｎｍ、強磁性層１１、１９は厚さが５ｎｍ〜１０ｎｍかそれ以上の厚さであることが好ましい。

（書き込み方法）
本実施形態のＭＴＪ素子にデータを書き込む方法について図７（ａ）乃至図８（ｂ）を参照して説明する。まず、磁化反転可能な強磁性層１７の磁化の方向が強磁性層１１の磁化の方向と平行、すなわち強磁性層１９の磁化の方向と反平行であるとする（図７（ａ））。強磁性層１９に対して強磁性層１１にセット電圧以上の正の電圧を印加すると、イオン伝導層１５ａにＡｇフィラメント１６が形成され、電子は強磁性層１９から非磁性金属層１８を介して強磁性層１７へ流れ込む。強磁性層１７の磁化の方向は強磁性層１９の磁化の方向と反平行であるので、強磁性層１９から強磁性層１７の磁化の方向と逆向きのスピンが流れ込んでスピントルクを受け、スピントランスファトルクの原理によって磁化が反転する（図７（ｂ））。また、このとき、強磁性層１１の磁化の方向と反平行なスピンを有する電子は、強磁性層１７、イオン源層１５ｂ、Ａｇフィラメント１６およびトンネルバリア層１３を介して、強磁性層１１に到達し、トンネルバリア層１３と強磁性層１１との界面で反射され、トンネルバリア層１３、Ａｇフィラメント１６、およびイオン源層１５ｂを介して、強磁性層１７に流入し、強磁性層１７の磁化を反転するスピントランスファトルクとして作用する。すなわち、この第２実施形態においては、強磁性層１７には、強磁性層１９と強磁性層１１からのスピントランスファトルクを受ける。 このようにして、強磁性層１７の磁化の方向を強磁性層１１の磁化の方向に対して「平行」から「反平行」に反転させることができる。

次に、磁化反転可能な強磁性層１７の磁化の方向が強磁性層１１の磁化の方向と反平行、すなわち強磁性層１９の磁化の方向と平行であるとする（図８（ａ））。強磁性層１１に対して強磁性層１９にセット電圧以上の正の電圧を印加すると、イオン伝導層１５ａにＡｇフィラメント１６が形成され、電子は強磁性層１１からトンネルバリア層１３、Ａｇフィラメント１６、およびイオン源層１５ｂを介して強磁性層１７へ流れ込む。強磁性層１７の磁化の方向は強磁性層１１の磁化の方向と反平行であるので、強磁性層１１から強磁性層１７の磁化の方向と逆向きのスピンが流れ込んでスピントルクを受け、スピントランスファトルクの原理によって磁化が反転する（図８（ｂ））。また、このとき、強磁性層１９の磁化の方向と反平行なスピンを有する電子は、強磁性層１７、非磁性金属層１８を介して、強磁性層１９に到達し、非磁性金属層１８と強磁性層１９との界面で反射され、非磁性金属層１８を介して、強磁性層１７に流入し、強磁性層１７の磁化を反転するスピントランスファトルクとして作用する。すなわち、この第２実施形態においては、強磁性層１７には、強磁性層１９と強磁性層１１からのスピントランスファトルクを受けるので、第１実施形態に比べて、強磁性層１７の磁化の反転を容易に行うことができる。

このようにして、強磁性層１７の磁化の方向を強磁性層１１の磁化の方向に対して「反平行」から「平行」に反転させることができる。

なお、読み出し動作は、第１実施形態と同様に行う。

読み出し動作と書き込み動作は、いずれの場合もセット電圧以上の電圧を印加してフィラメントを形成し、電流を流すという意味では全く同じ動作である。しかし、磁化反転によって書き込みを行うのに必要な電流は読み出しに必要な電流よりも大きい。典型的には、１０μＡのオーダー以下で読み出しができるのに対して、書き込みには１００μＡ程度の電流が必要となる。このため、読み出しを行う場合には読み出し電流を１０μＡ程度に制限し、書き込みを行う場合には１００μＡ程度まで書き込み電流が流れるように外部から制御することで、書き込みと読み出しを区別して行うことができる。

以上の書き込み工程におけるセット電圧および書き込み電流は、図５（ａ）、５（ｂ）に示す第１実施形態の場合と同様に行う。例えば、ａ−Ｓｉのイオン伝導層１５ａ中にＡｇフィラメント１６を形成するため、セット電圧を強磁性層１１と強磁性層１９との間に印加する。フィラメントは数十ｎ秒程度で形成されるため、印加時間は１０ｎ秒〜１００ｎ秒程度で十分である。なお、セット電圧の印加中は、外部回路によって１００μＡ程度の電流制限をかけ、過度に電流が流れてａ−Ｓｉのイオン伝導層１５ａやトンネルバリア層１３が破壊されたりすることを防ぐ。

次に、書き込みのための電圧を印加する。フィラメントの崩壊を防ぐため、フィラメント形成電圧を印加後に続けて印加することが望ましい。書き込みには十分な電流（１００μＡ程度）が必要であるため、読み出しの場合よりも十分大きな電圧を印加する。書き込みに必要な十分な電流を確保するため、書き込み動作が終了するまで一定の電流を流す。

図９に、Ａｇのイオン源層と、ａ−Ｓｉのイオン伝導層とからなる抵抗変化層に電流制限をかけながら電圧を印加した場合の電流−電圧特性である。電流制限の値を変えても、セット電圧の値はほとんど変わらない。このため、読み出しまたは書き込みの際に印加電圧そのものは変える必要はなく、読み出し側の電流制限値を変化させれば良い。電流の制限は、例えばＭＯＳＥＴの飽和特性を用いて実現できる。

（変形例）
第２実施形態の変形例によるＭＴＪ素子を図１０に示す。この変形例のＭＴＪ素子１Ｂは、図６に示す第２実施形態のＭＴＪ素子１Ａにおいて、強磁性層１１の磁化の方向を固定するために、強磁性層１１に対してトンネルバリア層１３と反対側に反強磁性層２１を設け、強磁性層１９の磁化の方向を固定するために、強磁性層１９に対して非磁性金属層１８と反対側に反強磁性層２２を設けた構成となっている。この変形例においては、強磁性層１１、１７、１９の磁化の方向は、膜面に平行となっている。一般的に、強磁性層１１、１７、１９の磁化の方向が膜面に垂直である場合には、反強磁性層２１、２２は設けなくともよい。

反強磁性層と接合している強磁性層は交換バイアスによって一定の磁場範囲の下では磁化反転が起こらなくなる。この変形例の場合、例えば厚さが３ｎｍ程度のＣｏＦｅＢの強磁性層１１、１９にそれぞれ厚さが１０ｎｍ程度のＩｒＭｎあるいはＰｔＭｎからなる反強磁性層２１、２２を接合させることで、磁化を固定することができる。

以上説明したように、第２実施形態およびその変形例も第１実施形態と同様に、劣化の少ない抵抗変化機能を備えた磁気トンネル接合素子を得ることができる。なお、第２実施形態およびその変形例においても、第１実施形態と同様に、イオン源層１５ｂとイオン伝導層１５ａの厚さの合計はイオン源層を構成する金属のスピン緩和長以下であることが好ましい。イオン源層１５ｂがＡｇであれば、スピン緩和長は３００ｎｍである。

（第３実施形態）
第３実施形態による磁気メモリを図１１に示す。この第３実施形態の磁気メモリは、互いに交差するワード線３０とビット線４０のクロスポイント（交差領域）に図６に示す第２実施形態のＭＴＪ素子１Ａを設けた構成を有している。ワード線３０にＭＴＪ素子１Ａの強磁性層１１が電気的に接続し、ビット線４０にＭＴＪ素子１Ａの強磁性層１９が電気的に接続する。動作原理については、第２実施形態と同様である。交差領域におけるＭＴＪ素子は一般的なＭＴＪ素子の形成プロセスと全く同様にして作ることができる。なお、記憶素子となるＭＴＪ素子として、第１実施形態およびその変形例、または第２実施形態の変形例のＭＴＪ素子を用いてもよい。

また、図１２に示すように、複数のワード線３０_１，３０_２と、複数のビット線４０_１、４０_２を格子状に配置し、それらの交差領域に第１乃至第２実施形態のいずれかのＭＴＪ素子を配置することで、大容量不揮発性メモリを得ることができる。

なお、図１３に示す第３実施形態の第１変形例による磁気メモリのように、強磁性層１１および強磁性層１９はそれぞれワード線３０とビット線４０に沿って延在していても良い。また、図１４に示す第３実施形態の第２変形例による磁気メモリのように、強磁性層１１および強磁性層１９はそれぞれワード線３０_１、３０_２とビット線４０_１、４０_２に沿って延在していても良い。

なお、強磁性層１１および強磁性層１９の磁化の方向を固定するためにワード線と強磁性層１１との間、および強磁性層１９とビット線の間にそれぞれ、図１０に示す反強磁性層２１および反強磁性層２２を挿入しても良い。また、これらの反強磁性層２１および反強磁性層２２もそれぞれワード線およびビット線方向に延在していても良い。

以上説明したように、第３実施形態においては、記憶素子となるＭＴＪ素子として、第１および第２実施形態並びにそれらの変形例のいずれかのＭＴＪ素子を用いるので、劣化の少ない抵抗変化機能を備えた磁気メモリを得ることができる。

（第４実施形態）
第４実施形態による磁気メモリを図１５に示す。この第４実施形態の磁気メモリは、第１ワード線３０Ａとビット線４０は互いに交差しており、さらにビット線４０の上には第１ワード線３０Ａと平行な第２ワード線３０Ｂが設けられており、第１ワード線３０Ａ、ビット線４０、第２ワード線３０Ｂは１点で交差している。この交差領域において、第１ワード線３０Ａとビット線４０との交差領域に図６に示す第２実施形態のＭＴＪ素子１Ａを設け、ビット線４０と第２ワード線３０Ｂとの交差領域に図６に示す第２実施形態のＭＴＪ素子１Ａを設けた構成となっている。そして、この第４実施形態においては、第１ワード線３０Ａ／強磁性層１１／トンネルバリア層１３／イオン伝導層１５ａ／イオン源層１５ｂ／強磁性層１７／非磁性金属層１８／強磁性層１９／ビット線４０／強磁性層１１／トンネルバリア層１３／イオン伝導層１５ａ／イオン源層１５ｂ／強磁性層１７／非磁性金属層１８／強磁性層１９／ビット線３０Ｂの順序で積層された構造を有している。なお、記憶素子となるＭＴＪ素子として、第１実施形態およびその変形例、または第２実施形態の変形例のＭＴＪ素子を用いてもよい。

この第４実施形態においては、第１ワード線３０Ａとビット線４０との間にセット電圧以上の電圧を印加して第１ワード線３０Ａとビット線４０の間のＭＴＪ素子の読み出しあるいは書き込みを行うことができるが、その際に第２ワード線３０Ｂをフロートにしておくことで、ビット線４０と第２ワード線３０Ｂの間のＭＴＪ素子にセット電圧以上の電圧がかかることがなく、絶縁状態を保つことができる。このため、上下のＭＴＪ素子を独立に操作できるため、構造の立体化が可能である。また、図１６に示すように、複数のワード線３０Ａ_１、３０Ａ_２、複数のビット線４０_１、４０_２、複数の第２ワード線３０Ｂ_１、３０Ｂ_２を格子状に配列し、それらの交差領域にそれぞれ、第１乃至第２実施形態およびそれらの変形例のいずれかのＭＴＪ素子を記憶素子として設ければ、大容量不揮発性メモリを得ることができる。

なお、図１７に示すように、第１ワード線３０Ａとビット線４０との交差領域に設けられるＭＴＪ素子１Ａと、ビット線４０と第２ワード線３０Ｂとの交差領域に設けられるＭＴＪ素子１Ａの積層順序が互いに逆となるように構成してもよい。例えば、第１ワード線３０Ａ／強磁性層１１／トンネルバリア層１３／イオン伝導層１５ａ／イオン源層１５ｂ／強磁性層１７／非磁性金属層１８／強磁性層１９／ビット線４０／強磁性層１９／非磁性金属層１８／強磁性層１７／イオン源層１５ｂ／イオン伝導層１５ａ／トンネルバリア層１３／強磁性層１１／第２ワード線３０Ｂの順序で積層された構造であってもよい。すなわち、ビット線４０の上下のＭＴＪ素子はビット線４０に対して対称に積層された構造になっている。

以上説明したように、第４実施形態においては、記憶素子となるＭＴＪ素子として、第１および第２実施形態並びにそれらの変形例のいずれかのＭＴＪ素子を用いるので、劣化の少ない抵抗変化機能を備えた磁気メモリを得ることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１、１Ａ、１Ｂ ＭＴＪ素子（磁気トンネル接合素子）
１１ 強磁性層
１３ トンネルバリア層
１５ 抵抗変化層
１５ａ イオン伝導層
１５ｂ イオン源層
１６ Ａｇフィラメント
１７ 強磁性層
１８ 非磁性金属層
１９ 強磁性層
２１ 反強磁性層
２２ 反強磁性層
３０ ワード線
４０ ビット線

Claims (10)

1. 第１および第２強磁性層と、
   前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に設けられたトンネルバリア層と、
   前記トンネルバリア層と前記第２強磁性層との間に設けられ金属元素を含むイオン源層と、
   前記トンネルバリア層と前記第２強磁性層との間に設けられ抵抗が可変のイオン伝導層と、
   を備え、前記イオン伝導層は、前記イオン伝導層に所定値以上の電圧が印加されたときに第１抵抗値となり、前記電圧が印加されなくなったときに前記第１抵抗値よりも高い第２抵抗値となる磁気トンネル接合素子。
2. 第１および第２強磁性層と、
   前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に設けられたトンネルバリア層と、
   前記トンネルバリア層と前記第２強磁性層との間に設けられ金属元素を含むイオン源層と、
   前記トンネルバリア層と前記第２強磁性層との間に設けられ抵抗が可変のイオン伝導層と、
   を備え、前記イオン伝導層に所定値以上の電圧が印加されるとフィラメントが前記イオン伝導層に形成され、前記電圧が印加されなくなると前記フィラメントが崩壊する磁気トンネル接合素子。
3. 前記イオン伝導層は、アモルファス半導体、シリコン酸化物、金属酸化物、またはカルコゲナイドのいずれかである請求項１または２記載の磁気トンネル接合素子。
4. 前記イオン源層は、ＡｇまたはＣｕを含む請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気トンネル接合素子。
5. 前記イオン源層は前記第２強磁性層側に設けられ、前記イオン伝導層は前記トンネルバリア層側に設けられている請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気トンネル接合素子。
6. 前記イオン源層は前記トンネルバリア層側に設けられ、前記イオン伝導層は前記第２強磁性層側に設けられている請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気トンネル接合素子。
7. 前記第２強磁性層に対して前記イオン源層と反対側に設けられた第３強磁性層と、
   前記第２強磁性層と前記第３強磁性層との間に設けられた非磁性金属層と、
   を更に備え、
   前記第１強磁性層は磁化の方向が固定された参照層であり、前記第２強磁性層は磁化の方向が可変の記憶層であり、前記第３強磁性層は磁化の方向が前記第１強磁性層の磁化の方向と反平行である請求項１乃至６のいずれかに記載の磁気トンネル接合素子。
8. 前記第１強磁性層の磁化の方向を固定する第１反強磁性層と、
   前記第３強磁性層の磁化の方向を固定する第２反強磁性層と、
   を更に備えている請求項７記載の磁気トンネル接合素子。
9. 第１配線と、
   前記第１配線と交差する第２配線と、
   前記第１配線と前記第２配線との交差領域に設けられた請求項１乃至８のいずれかに記載の第１磁気トンネル接合素子と、
   を備えている磁気メモリ。
10. 前記第１配線と平行でかつ前記第２配線と交差する第３配線と、
    前記第２配線と前記第３配線との交差領域に設けられた請求項１乃至８のいずれかに記載の第２磁気トンネル接合素子と、
    を更に備えている請求項９記載の磁気メモリ。

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