JP5951401B2 - Magnetic recording element and magnetic memory - Google Patents
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Description
本発明は、スピン偏極された電子(spin-polarized electrons)を磁化反転(magnetization reversal)に利用する磁気記録素子及び磁気メモリに関する。 The present invention relates to a magnetic recording element and a magnetic memory that use spin-polarized electrons for magnetization reversal.
近年、電子のスピン自由度を利用したスピンエレクトロニクスデバイスの研究開発が盛んに行われている。 In recent years, research and development of spin electronics devices using the spin degree of freedom of electrons has been actively conducted.
例えば、ハードディスクドライブでは、磁気ヘッドからの磁場により記録媒体の磁化状態を制御し、磁気ランダムアクセスメモリでは、2本の書き込み線からの合成磁場により磁気抵抗効果素子の磁化状態を制御する。 For example, in a hard disk drive, the magnetization state of a recording medium is controlled by a magnetic field from a magnetic head, and in a magnetic random access memory, the magnetization state of a magnetoresistive element is controlled by a combined magnetic field from two write lines.
このような磁場による磁化状態の制御方法に関しては、古い歴史があり、現在では、既に確立された技術となっている。 The method of controlling the magnetization state by such a magnetic field has an old history and is now an established technology.
一方、昨今のナノテクノロジーの進歩により、記録媒体の記録単位及び磁気抵抗効果素子の微細化が進行し、これらの磁化状態の制御もナノスケールで局所的に行なう必要性が出てきた。 On the other hand, with recent advances in nanotechnology, recording units of a recording medium and miniaturization of magnetoresistive elements have progressed, and it has become necessary to control these magnetization states locally on a nanoscale.
しかし、磁場は、空間に広がる性質を持つため、局所化が難しい。このため、書き込み対象以外の記録単位及び磁気抵抗効果素子に磁場の影響が及んで誤書き込みを起こすいわゆる「クロストーク」の問題が発生する。また、磁場の発生源を小さくして磁場の局所化を図ろうとすると、磁化反転に必要な大きさの磁場が得られない。 However, since the magnetic field has the property of spreading in space, it is difficult to localize. For this reason, a so-called “crosstalk” problem that causes erroneous writing due to the influence of the magnetic field on the recording unit and the magnetoresistive effect element other than the write target occurs. Further, if the magnetic field generation source is made small to attempt to localize the magnetic field, a magnetic field having a magnitude necessary for magnetization reversal cannot be obtained.
そこで、このような問題が発生しない「電流直接駆動型磁化反転方法」が注目されるようになった(例えば、非特許文献1参照)。 Therefore, “current direct drive type magnetization reversal method” that does not cause such a problem has been noticed (for example, see Non-Patent Document 1).
これは、磁気抵抗効果素子に書き込み電流としてのスピン注入電流を流し、そこで発生するスピン偏極された電子を用いて磁化反転を実行する技術である。具体的には、スピン偏極された電子の角運動量が、磁気記録層としての磁性材料内の電子に伝達されることにより磁気記録層の磁化が反転する。 This is a technique in which a spin injection current as a write current is passed through a magnetoresistive effect element, and magnetization reversal is executed using spin-polarized electrons generated there. Specifically, the angular momentum of the spin-polarized electrons is transmitted to the electrons in the magnetic material as the magnetic recording layer, so that the magnetization of the magnetic recording layer is reversed.
このような電流直接駆動による磁化反転技術(スピン注入磁化反転技術)を用いれば、磁化状態をナノスケールで局所的に制御し易く、かつ、微細化に応じてスピン注入電流の値も小さくできるため、高記録密度のハードディスクや磁気ランダムアクセスメモリなどのスピンエレクトロニクスデバイスの実現に向けての手助けとなる。 If such a current reversal magnetization reversal technique (spin injection magnetization reversal technique) is used, the magnetization state can be easily controlled locally at the nanoscale, and the value of the spin injection current can be reduced according to miniaturization. It helps to realize spin electronics devices such as high recording density hard disks and magnetic random access memories.
しかし、この技術にも問題がある。それは、磁化反転に必要とされるスピン注入電流の電流密度Jcが1×107 A/cm2以上の大きな値になることである。このような大きな値になると、磁気抵抗効果素子内で発生する熱の影響で、素子特性が劣化するなどの信頼性の問題が発生する。 However, there are problems with this technology. That is, the current density Jc of the spin injection current required for the magnetization reversal becomes a large value of 1 × 10 7 A / cm 2 or more. When such a large value is reached, reliability problems such as deterioration of element characteristics occur due to the influence of heat generated in the magnetoresistive element.
この対策として、例えば、磁気抵抗効果素子を構成する磁性材料の飽和磁化Msの値を小さくするなど、いくつかの提案がなされているが(例えば、特許文献1,2参照)、飽和磁化Msを小さくすると、磁化状態の熱揺らぎ耐性及び再生信号出力の大きさを決めるMR(magneto-resistive)特性が劣化する、といった新たな問題が発生する。
As countermeasures, several proposals have been made, for example, by reducing the value of the saturation magnetization Ms of the magnetic material constituting the magnetoresistive element (see, for example,
本発明の例では、熱揺らぎ耐性及びMR特性を劣化させることなく、磁化反転のためのスピン注入電流の電流密度を低減する技術について提案する。 The example of the present invention proposes a technique for reducing the current density of the spin injection current for magnetization reversal without degrading thermal fluctuation resistance and MR characteristics.
本発明の例に関わる磁気記録素子は、膜を通過する電流の向きに応じて磁化が可変で磁化容易軸方向が膜面に垂直となる方向の磁気記録層と、磁化が膜面に垂直となる方向に固定される磁気固着層と、前記磁気記録層と前記磁気固着層との間の非磁性バリア層と、前記磁気記録層と前記非磁性バリア層との間の挿入層とを備え、前記磁気記録層は、飽和磁化Ms(emu/cc)と異方性磁界Han(Oe)との関係が、Han>12.57Ms、かつ、Han<1.2E7Ms -1 +12.57Msを満たし、その厚さは、5nm以下であり、前記挿入層は、CoFeB、FeB、CoNbZr、FeAlSi、CoTaZr、及び、FeTaCのうちの1つを含む。 The magnetic recording element according to the example of the present invention includes a magnetic recording layer whose magnetization is variable according to the direction of the current passing through the film and whose easy axis direction is perpendicular to the film surface, and whose magnetization is perpendicular to the film surface. A magnetic pinned layer fixed in a direction, a nonmagnetic barrier layer between the magnetic recording layer and the magnetic pinned layer, and an insertion layer between the magnetic recording layer and the nonmagnetic barrier layer, In the magnetic recording layer, the relationship between the saturation magnetization Ms (emu / cc) and the anisotropic magnetic field Han (Oe) satisfies Han> 12.57 Ms and Han <1.2E7Ms −1 +12.57 Ms, and the thickness thereof is at 5nm or less, the insertion layer comprises CoFeB, FeB, CoNbZr, FeAlSi, CoTaZr, and, one of the FeTaC.
以下、図面を参照しながら、本発明の例を実施するための最良の形態について詳細に説明する。 The best mode for carrying out an example of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
1. 概要
本発明の例は、電流直接駆動による磁化反転技術(スピン注入磁化反転技術)を前提とする。この技術において、熱揺らぎ耐性及びMR特性を劣化させることなく、磁化反転のためのスピン注入電流の電流密度を低減するために、以下の構成を採用する。
1. Overview
The example of the present invention is premised on a magnetization reversal technique (spin injection magnetization reversal technique) by direct current driving. In this technique, the following configuration is adopted in order to reduce the current density of the spin injection current for magnetization reversal without degrading the resistance to thermal fluctuation and MR characteristics.
まず、磁気記録層(magnetic free layer)の磁化容易軸方向を膜面に垂直となる方向にする。 First, the easy axis of magnetization of the magnetic recording layer (magnetic free layer) is set to a direction perpendicular to the film surface.
ここで、膜面とは、磁気記録層を「膜」と捉えたときの膜の表面を意味する。従って、膜面に垂直となる方向とは、磁気固着層、磁気記録層及びこれらの間の非磁性バリア層(例えば、トンネルバリア層)を積層する方向となる。 Here, the film surface means the surface of the film when the magnetic recording layer is regarded as a “film”. Therefore, the direction perpendicular to the film surface is the direction in which the magnetic pinned layer, the magnetic recording layer, and the nonmagnetic barrier layer (for example, tunnel barrier layer) between them are stacked.
このような構造の磁気記録層(磁性材料)は、垂直磁化膜と称される。これに対し、磁化容易軸方向が膜面に平行となる磁気記録層(磁性材料)については、面内磁化膜(水平磁化膜)と称される。 The magnetic recording layer (magnetic material) having such a structure is called a perpendicular magnetization film. On the other hand, a magnetic recording layer (magnetic material) having an easy axis direction parallel to the film surface is referred to as an in-plane magnetization film (horizontal magnetization film).
垂直磁化膜は、面内磁化膜よりも、微細化し易く、磁化反転のためのスピン注入電流の電流密度も小さい。 The perpendicular magnetization film is easier to miniaturize than the in-plane magnetization film, and the current density of the spin injection current for magnetization reversal is also small.
磁気記録層の磁化容易軸方向を膜面に垂直となる方向にするためには、磁気記録層を構成する磁性材料の飽和磁化Ms(emu/cc)と異方性磁界Han(Oe)との関係を、Han>12.57Msに設定すればよい。なお、異方性磁界Hanは、膜面垂直方向の磁気異方性Kuを用いて、Han=2Ku/Msで与えられる。 In order to make the easy axis direction of the magnetic recording layer perpendicular to the film surface, the saturation magnetization Ms (emu / cc) of the magnetic material constituting the magnetic recording layer and the anisotropic magnetic field Han (Oe) The relationship should be set to Han> 12.57Ms. The anisotropic magnetic field Han is given by Han = 2 Ku / Ms using the magnetic anisotropy Ku in the direction perpendicular to the film surface.
尚、磁気固着層(magnetic pinned layer)の磁化については、例えば、反強磁性層により膜面に垂直となる方向に固定する。また、永久磁石となるような保磁力が大きな磁性材料を用いて磁化固着してもよい。 The magnetization of the magnetic pinned layer is fixed in a direction perpendicular to the film surface by, for example, an antiferromagnetic layer. Further, the magnetic material may be fixed by using a magnetic material having a large coercive force that becomes a permanent magnet.
次に、スピン注入電流の電流密度を2×106 A/cm2以下にするために、磁気記録層を構成する磁性材料の飽和磁化Ms(emu/cc)と異方性磁界Han(Oe)との関係を、Han<1.2E7Ms-1+12.57Msに設定し、その厚さを、5nm以下に設定する。この数値は、実験により見出されたものであり、上記電流密度を実現するためには、上記関係と厚さの双方を同時に満たすことが必要である。 Next, in order to reduce the current density of the spin injection current to 2 × 10 6 A / cm 2 or less, the saturation magnetization Ms (emu / cc) of the magnetic material constituting the magnetic recording layer and the anisotropic magnetic field Han (Oe) Is set to Han <1.2E7Ms −1 +12.57 Ms, and the thickness is set to 5 nm or less. This numerical value has been found by experiment, and in order to realize the current density, it is necessary to satisfy both the relationship and the thickness at the same time.
このように、本発明の例によれば、磁気記録層としての磁性材料の飽和磁化Msの値のみを小さくすることなく、磁化反転のためのスピン注入電流の電流密度をバリア材の破壊を素子し,配線および周辺回路の動作保障を確保するために望ましい2×106 A/cm2以下に低減できる。このため、熱揺らぎ耐性及びMR特性を劣化させることもないため、高記録密度の磁気メモリなどのスピンエレクトロニクスデバイスを実現できる。 As described above, according to the example of the present invention, the current density of the spin injection current for magnetization reversal can be reduced without destroying only the saturation magnetization Ms of the magnetic material as the magnetic recording layer. However, it can be reduced to 2 × 10 6 A / cm 2 or less, which is desirable in order to ensure the operation of wiring and peripheral circuits. For this reason, since the thermal fluctuation resistance and MR characteristics are not deteriorated, a spin electronics device such as a magnetic memory having a high recording density can be realized.
2. 実施の形態
次に、最良と思われるいくつかの実施の形態について説明する。
2. Embodiment
Next, some preferred embodiments will be described.
(1) 第1実施の形態
図1は、第1実施の形態の磁気記録素子の構造を示す側面図である。
(1) First Embodiment FIG. 1 is a side view showing the structure of a magnetic recording element according to a first embodiment.
磁気記録層11は、磁化が可変で磁化容易軸方向が膜面に対し垂直方向となる。磁気固着層12は、磁化が膜面に垂直となる方向に固定される。磁気記録層11と磁気固着層12との間には、非磁性バリア層13が配置される。
The
磁気記録層11は、飽和磁化Ms(emu/cc)と異方性磁界Han(Oe)との関係が、Han>12.57Ms、かつ、Han<1.2E7Ms-1+12.57Msを満たし、厚さが5nm以下の磁性材料から構成される。
In the
磁気固着層12は、磁性材料から構成される。磁気記録層12の磁化方向は、例えば、反強磁性層により固定する。非磁性バリア層13は、例えば、トンネルバリア層としての絶縁材料から構成される。
The magnetic pinned
スピン注入電流Isが磁気記録層11から磁気固着層12に向かって流れるとき、磁気記録素子の磁化状態は、磁気記録層11の磁化方向と磁気固着層12の磁化方向とが同じとなる平行状態になる。
When the spin injection current Is flows from the
また、スピン注入電流Isが磁気固着層12から磁気記録層11に向かって流れるとき、磁気記録素子の磁化状態は、磁気記録層11の磁化方向と磁気固着層12の磁化方向とが逆となる反平行状態になる。
Further, when the spin injection current Is flows from the magnetic pinned
図2は、第1実施の形態で指定する範囲を表している。
磁気記録層の飽和磁化Ms(emu/cc)と異方性磁界Han(Oe)に関して、薄く塗り潰してある範囲が第1実施の形態の磁気記録素子として成立する範囲である。
FIG. 2 shows the range specified in the first embodiment.
Regarding the saturation magnetization Ms (emu / cc) and the anisotropic magnetic field Han (Oe) of the magnetic recording layer, the thinly covered range is the range that is established as the magnetic recording element of the first embodiment.
第1実施の形態によれば、熱揺らぎ耐性及びMR特性を劣化させることなく、磁化反転のためのスピン注入電流の電流密度を低減できる。 According to the first embodiment, the current density of the spin injection current for magnetization reversal can be reduced without degrading the resistance to thermal fluctuation and MR characteristics.
(2) 第2実施の形態
図3は、第2実施の形態の磁気記録素子の構造を示す側面図である。
(2) Second Embodiment FIG. 3 is a side view showing the structure of a magnetic recording element according to a second embodiment.
磁気記録層11は、磁化が可変で磁化容易軸方向が膜面に対し垂直方向となる。磁気固着層12は、磁化が膜面に垂直となる方向に固定される。磁気記録層11と磁気固着層12との間には、非磁性バリア層13が配置される。
The
磁気記録層11は、飽和磁化Ms(emu/cc)と異方性磁界Han(Oe)との関係が、Han>12.57Ms、かつ、Han<1.2E7Ms-1+12.57Msを満たし、厚さが5nm以下の磁性材料から構成される。
In the
また、磁気記録層11を構成する磁性材料の飽和磁化Msは、600emu/ccを超える値に設定される。これはMR特性を示す指標であるところのMR比を20%以上とするために必要である。
In addition, the saturation magnetization Ms of the magnetic material constituting the
磁気固着層12は、磁性材料から構成される。磁気記録層12の磁化方向は、例えば、反強磁性層により固定する。非磁性バリア層13は、例えば、トンネルバリア層としての絶縁材料から構成される。
The magnetic pinned
スピン注入電流Isが磁気記録層11から磁気固着層12に向かって流れるとき、磁気記録素子の磁化状態は、磁気記録層11の磁化方向と磁気固着層12の磁化方向とが同じとなる平行状態になる。
When the spin injection current Is flows from the
また、スピン注入電流Isが磁気固着層12から磁気記録層11に向かって流れるとき、磁気記録素子の磁化状態は、磁気記録層11の磁化方向と磁気固着層12の磁化方向とが逆となる反平行状態になる。
Further, when the spin injection current Is flows from the magnetic pinned
図4は、第2実施の形態で指定する範囲を表している。
磁気記録層の飽和磁化Ms(emu/cc)と異方性磁界Han(Oe)に関して、薄く塗り潰してある範囲が第2実施の形態の磁気記録素子として成立する範囲である。
FIG. 4 shows a range specified in the second embodiment.
Regarding the saturation magnetization Ms (emu / cc) and the anisotropic magnetic field Han (Oe) of the magnetic recording layer, the thinly covered range is the range that is established as the magnetic recording element of the second embodiment.
第2実施の形態によれば、第1実施の形態と同様に、熱揺らぎ耐性及びMR特性を劣化させることなく、磁化反転のためのスピン注入電流の電流密度を低減できる。また、磁気記録層11を構成する磁性材料の飽和磁化Msを600emu/ccを超える値に設定することで、熱揺らぎ耐性を維持したまま反転に必要な電流密度Jcを小さくでき、磁気記録素子のMR比が大きくなり、再生信号出力も大きくなる。
According to the second embodiment, as in the first embodiment, the current density of the spin injection current for magnetization reversal can be reduced without degrading the resistance to thermal fluctuation and MR characteristics. Also, by setting the saturation magnetization Ms of the magnetic material constituting the
(3) 第3実施の形態
図5は、第3実施の形態の磁気記録素子の構造を示す側面図である。
(3) Third Embodiment FIG. 5 is a side view showing the structure of a magnetic recording element according to a third embodiment.
磁気記録層11は、磁化が可変で磁化容易軸方向が膜面に対し垂直方向となる。磁気固着層12は、磁化が膜面に垂直となる方向に固定される。磁気記録層11と磁気固着層12との間には、非磁性バリア層13が配置され、磁気記録層11と非磁性バリア層13との間には、挿入層14が配置される。
The
磁気記録層11は、飽和磁化Ms(emu/cc)と異方性磁界Han(Oe)との関係が、Han>12.57Ms、かつ、Han<1.2E7Ms-1+12.57Msを満たし、厚さが5nm以下の磁性材料から構成される。
In the
また、挿入層14は、磁性材料から構成され、その飽和磁化Msは、600emu/ccを超える値に設定される。これは第2の実施の形態でも述べたとおり、MR特性を示す指標であるところのMR比を20%以上とするために必要である。
The
挿入層14の厚さについては、磁気記録層11の磁化(垂直磁化)に影響を与えないように、2nm未満、さらに好ましくは、0.6nm未満に設定される。
The thickness of the
磁気固着層12は、磁性材料から構成される。磁気記録層12の磁化方向は、例えば、反強磁性層により固定する。非磁性バリア層13は、例えば、トンネルバリア層としての絶縁材料から構成される。
The magnetic pinned
スピン注入電流Isが磁気記録層11から磁気固着層12に向かって流れるとき、磁気記録素子の磁化状態は、磁気記録層11の磁化方向と磁気固着層12の磁化方向とが同じとなる平行状態になる。
When the spin injection current Is flows from the
また、スピン注入電流Isが磁気固着層12から磁気記録層11に向かって流れるとき、磁気記録素子の磁化状態は、磁気記録層11の磁化方向と磁気固着層12の磁化方向とが逆となる反平行状態になる。
Further, when the spin injection current Is flows from the magnetic pinned
図6は、第3実施の形態で指定する範囲を表している。
磁気記録層の飽和磁化Ms(emu/cc)と異方性磁界Han(Oe)に関して、薄く塗り潰してある範囲が第3実施の形態の磁気記録素子として成立する範囲である。
FIG. 6 shows a range designated in the third embodiment.
Regarding the saturation magnetization Ms (emu / cc) and the anisotropic magnetic field Han (Oe) of the magnetic recording layer, the thinly covered range is the range that is established as the magnetic recording element of the third embodiment.
第3実施の形態によれば、第1実施の形態と同様に、熱揺らぎ耐性及びMR特性を劣化させることなく、磁化反転のためのスピン注入電流の電流密度を低減できる。また、挿入層を構成する磁性材料の飽和磁化Msを600emu/ccを超える値に設定することで、磁気記録素子のMR比が大きくなり、再生信号出力も大きくなる。 According to the third embodiment, as in the first embodiment, the current density of the spin injection current for magnetization reversal can be reduced without degrading the resistance to thermal fluctuation and MR characteristics. Also, by setting the saturation magnetization Ms of the magnetic material constituting the insertion layer to a value exceeding 600 emu / cc, the MR ratio of the magnetic recording element is increased and the reproduction signal output is also increased.
尚、磁気記録素子のMR比は、磁気記録層と非磁性バリア層との界面における磁性材料の飽和磁化Msに影響される。 The MR ratio of the magnetic recording element is affected by the saturation magnetization Ms of the magnetic material at the interface between the magnetic recording layer and the nonmagnetic barrier layer.
従って、挿入層に代えて、磁気記録層の飽和磁化Msを磁気記録層内で連続的又は不連続に変化させ、磁気記録層と非磁性バリア層との界面における磁気記録層の飽和磁化Msを600emu/ccを超える値に設定しても、同様の効果が得られる。 Therefore, instead of the insertion layer, the saturation magnetization Ms of the magnetic recording layer is changed continuously or discontinuously in the magnetic recording layer, and the saturation magnetization Ms of the magnetic recording layer at the interface between the magnetic recording layer and the nonmagnetic barrier layer is changed. The same effect can be obtained even if the value exceeds 600 emu / cc.
(4) 第4実施の形態
図12乃至図14は、第4実施の形態の磁気記録素子の構造を示す図である。
(4) Fourth Embodiment FIGS. 12 to 14 are diagrams showing the structure of a magnetic recording element according to a fourth embodiment.
磁気記録層11は、非磁性材料16により空間的に分離された磁性微粒子101からなり、磁性微粒子101の磁化は、可変で、磁化容易軸方向が膜面に対し垂直方向となる。
The
磁気固着層12は、磁化が膜面に垂直となる方向に固定される。磁気記録層11と磁気固着層12との間には、非磁性バリア層13が配置される。磁気記録層11上には、キャップ層15が配置される。
The magnetic pinned
磁性微粒子101は、飽和磁化Ms(emu/cc)と異方性磁界Han(Oe)との関係が、Han>12.57Ms、かつ、Han<1.2E7Ms-1+12.57Msを満たし、厚さが10nm以下の磁性材料から構成される。
The magnetic
磁気固着層12は、磁性材料から構成される。磁気記録層12の磁化方向は、例えば、反強磁性層により固定する。非磁性バリア層13は、例えば、トンネルバリア層としての絶縁材料から構成される。
The magnetic pinned
スピン注入電流Isが磁気記録層11から磁気固着層12に向かって流れるとき、磁気記録素子の磁化状態は、磁性微粒子101の磁化方向と磁気固着層12の磁化方向とが同じとなる平行状態になる。
When the spin injection current Is flows from the
また、スピン注入電流Isが磁気固着層12から磁気記録層11に向かって流れるとき、磁気記録素子の磁化状態は、磁性微粒子101の磁化方向と磁気固着層12の磁化方向とが逆となる反平行状態になる。
When the spin injection current Is flows from the magnetic pinned
第4実施の形態で磁性微粒子が形成される磁性材料は、図2に指定する範囲にある。 The magnetic material in which the magnetic fine particles are formed in the fourth embodiment is in the range specified in FIG.
磁気記録層の飽和磁化Ms(emu/cc)と異方性磁界Han(Oe)に関して、薄く塗り潰してある範囲が第4実施の形態の磁気記録素子として成立する範囲である。 Regarding the saturation magnetization Ms (emu / cc) and the anisotropic magnetic field Han (Oe) of the magnetic recording layer, the thinly covered range is the range that is established as the magnetic recording element of the fourth embodiment.
第4実施の形態によれば,磁性微粒子の磁化をそれぞれ独立に磁化し,各々を記録単位(1ビット)とすることで超高密度を得ることができる。また,複数個の磁性微粒子で1つの記録単位(1ビット)を形成させることで特性バラツキを低減させることができる。 According to the fourth embodiment, it is possible to obtain ultra-high density by magnetizing the magnetic fine particles independently of each other and using each as a recording unit (1 bit). Further, the characteristic variation can be reduced by forming one recording unit (1 bit) with a plurality of magnetic fine particles.
第4実施の形態においては、さらに、図14の例に示すように、磁性微粒子と非磁性バリア材料の間に、異種原子102が存在してもよい。この異種原子102は、磁性微粒子101、非磁性バリア層13、非磁性材料16のいずれを構成する材料には含まれない材料からなる。
In the fourth embodiment, as shown in the example of FIG. 14, a
これらの材料が3原子層以下の厚さの場合、磁気特性に大きな影響を与えず、磁性微粒子の配列を制御することができる。 When these materials have a thickness of 3 atomic layers or less, the arrangement of the magnetic fine particles can be controlled without greatly affecting the magnetic characteristics.
第4実施の形態によれば、第1実施の形態と同様に、熱揺らぎ耐性及びMR特性を劣化させることなく、磁化反転のためのスピン注入電流の電流密度を低減できる。 According to the fourth embodiment, as in the first embodiment, the current density of the spin injection current for magnetization reversal can be reduced without degrading the resistance to thermal fluctuation and MR characteristics.
(5) 第5実施の形態
図15は、第5実施の形態の磁気記録素子の構造を示す図である。
(5) Fifth Embodiment FIG. 15 is a diagram showing the structure of a magnetic recording element according to a fifth embodiment.
磁気記録層11は、磁化が可変で磁化容易軸方向が膜面に対し垂直方向となる。磁気固着層12は、磁化が膜面に垂直となる方向に固定される。磁気記録層11と磁気固着層12との間には、非磁性バリア層13が配置される。
The
磁気記録層11の非磁性バリア層13との反対側の面には非磁性導電層102を具備し、
さらに非磁性導電層102の磁気記録層11と反対側の面に磁化が膜面に垂直となる方向に固定される第2の磁気固着層103を有することを特徴とする。
A surface of the
Further, the second magnetic pinned
磁気記録層11は、飽和磁化Ms(emu/cc)と異方性磁界Han(Oe)との関係が、Han>12.57Ms、かつ、Han<1.2E7Ms-1+12.57Msを満たし、厚さが5nm以下の磁性材料から構成される。
In the
磁気記録層11は材質的に均一な層からなる場合の他に,第4の実施の形態にあるように磁化は可変で磁化容易軸方向が膜面に対し垂直方向となる微粒子から形成されてもよい。
In addition to the case where the
磁気固着層12および第2磁気固着層103は、磁性材料から構成される。磁気記録層12および第二磁気固着層103の磁化方向は、例えば、反強磁性層により固定する。その際, 磁気固着層12および第2磁気固着層103のそれぞれの磁化が互いに反平行となるように固着すると,反転効率をあげることが出来て低電流密度化を促進する。
The magnetic pinned
非磁性バリア層13は、例えば、トンネルバリア層としての絶縁材料から構成される。
The
非磁性導電層102は,例えばCu(銅),Au(金),Ag(銀),Al(アルミニウム)の中から選択される1つ以上の元素を含む導電性金属により構成される。
The nonmagnetic
スピン注入電流Isが第2磁気固着層103から磁気固着層12に向かって流れるとき、磁気記録素子の磁化状態は、磁気記録層11の磁化方向と磁気固着層12の磁化方向とが同じとなる平行状態になる。
When the spin injection current Is flows from the second magnetic pinned
また、スピン注入電流Isが磁気固着層12から第2磁気固着層103に向かって流れるとき、磁気記録素子の磁化状態は、磁気記録層11の磁化方向と磁気固着層12の磁化方向とが逆となる反平行状態になる。
When the spin injection current Is flows from the magnetic pinned
磁気記録層の飽和磁化Ms(emu/cc)と異方性磁界Han(Oe)に関して、薄く塗り潰してある範囲が第4実施の形態の磁気記録素子として成立する範囲である。 Regarding the saturation magnetization Ms (emu / cc) and the anisotropic magnetic field Han (Oe) of the magnetic recording layer, the thinly covered range is the range that is established as the magnetic recording element of the fourth embodiment.
第5実施の形態によれば,磁性微粒子の磁化をそれぞれ独立に磁化し,各々を記録単位(1ビット)とすることで超高密度を得ることができる。また,複数個の磁性微粒子で1つの記録単位(1ビット)を形成させることで特性バラツキを低減させることができる。 According to the fifth embodiment, it is possible to obtain ultra-high density by magnetizing the magnetic fine particles independently of each other and using each as a recording unit (1 bit). Further, the characteristic variation can be reduced by forming one recording unit (1 bit) with a plurality of magnetic fine particles.
第5実施の形態によれば、第1実施の形態と同様に、熱揺らぎ耐性及びMR特性を劣化させることなく、磁化反転のためのスピン注入電流の電流密度を低減できる。 According to the fifth embodiment, as in the first embodiment, the current density of the spin injection current for magnetization reversal can be reduced without degrading the resistance to thermal fluctuation and MR characteristics.
3. 材料例
第1乃至第3実施の形態の磁気記録素子を実現するための材料例について以下に説明する。
3. Material examples
Examples of materials for realizing the magnetic recording elements of the first to third embodiments will be described below.
(1) 磁気記録層及び磁気固着層
磁気記録層及び磁気固着層は、例えば、Fe(鉄), Co(コバルト), Ni(ニッケル), Mn(マンガン), Cr(クロム)のグループから選択される1つ以上の元素を含む磁性金属により構成する。
(1) Magnetic recording layer and magnetic pinned layer
The magnetic recording layer and the magnetic pinned layer are, for example, a magnetic metal containing one or more elements selected from the group of Fe (iron), Co (cobalt), Ni (nickel), Mn (manganese), and Cr (chromium) It consists of.
磁気記録層については、Fe, Co, Ni, Mn, Crのグループから選択される1つ以上の元素と、Pt(白金), Pd(パラジウム), Ir(イリジウム),Ru(ルテニウム),Rh(ロジウム)のグループから選択される1つ以上の元素との組み合わせによる合金にすると、磁気記録層の異方性磁界Hanの値が大きくなり、磁気記録層の飽和磁化Msの値を600emu/cc以上に設定し易くなる。 For the magnetic recording layer, one or more elements selected from the group of Fe, Co, Ni, Mn, and Cr, Pt (platinum), Pd (palladium), Ir (iridium), Ru (ruthenium), Rh ( When the alloy is combined with one or more elements selected from the rhodium group, the value of the anisotropic magnetic field Han of the magnetic recording layer increases, and the value of the saturation magnetization Ms of the magnetic recording layer exceeds 600 emu / cc. It becomes easy to set.
磁気記録層の異方性磁界Hanの値については、磁気記録層を構成する磁性材料の組成や、熱処理による結晶規則性などによっても調整できる。 The value of the anisotropic magnetic field Han of the magnetic recording layer can also be adjusted by the composition of the magnetic material constituting the magnetic recording layer, crystal regularity by heat treatment, and the like.
磁気記録層及び磁気固着層は、例えば、TbFeCo, GdFeCoなどの希土類−遷移金属のアモルファス合金や、 Co/Ptの積層構造などにより構成してもよい。 The magnetic recording layer and the magnetic pinned layer may be composed of, for example, a rare earth-transition metal amorphous alloy such as TbFeCo or GdFeCo, or a Co / Pt laminated structure.
磁気記録層及び磁気固着層を構成する磁性材料は、連続的な磁性体、又は、非磁性体内に磁性体からなる微粒子がマトリクス状に析出した複合構造とすることができる。特に、微粒子を含む複合構造は、素子の微細化に適しているため,高密度化に好ましい。 The magnetic material constituting the magnetic recording layer and the magnetic pinned layer can be a continuous magnetic material or a composite structure in which fine particles made of a magnetic material are deposited in a matrix in a non-magnetic material. In particular, a composite structure including fine particles is suitable for high density because it is suitable for miniaturization of elements.
磁性微粒子の形状は、例えば、図12乃至図14に示すように、円柱形や球形である。 The shape of the magnetic fine particles is, for example, a cylindrical shape or a spherical shape as shown in FIGS.
複合構造に関し、非磁性体を、Al2O3-x, MgO1-x, SiOx、ZnOx、TiOxなどの酸化物系の高抵抗材料とする場合には、書き込み電流としてのスピン注入電流は、微粒子へ集中するため、低電流密度での磁化反転が可能となる。また、特に、非磁性材料が非磁性バリア層と同じ材料を用いると、微粒子の結晶制御および磁気異方性制御が容易となる。 Regarding the composite structure, when the non-magnetic material is an oxide-based high resistance material such as Al 2 O 3-x , MgO 1-x , SiOx, ZnOx, TiOx, the spin injection current as the write current is Since it concentrates on fine particles, magnetization reversal at a low current density is possible. In particular, when the nonmagnetic material is the same as that of the nonmagnetic barrier layer, crystal control and magnetic anisotropy control of the fine particles are facilitated.
(2) 挿入層
挿入層は、例えば、Fe(鉄), Co(コバルト), Ni(ニッケル)のうちの1つ、又は、Fe(鉄), Co(コバルト), Ni(ニッケル), Mn(マンガン), Cr(クロム)のグループから選択される1つの元素を含む合金から構成される。
(2) Insertion layer
The insertion layer is, for example, one of Fe (iron), Co (cobalt), Ni (nickel), or Fe (iron), Co (cobalt), Ni (nickel), Mn (manganese), Cr ( It is composed of an alloy containing one element selected from the group of chromium.
また、挿入層は、CoNbZr, FeTaC, CoTaZr, FeAlSi, FeB, CoFeBなどの軟磁性材料、Co2MnSiなどのホイスラー合金、CrO2, Fe3O4, La1-xSrxMnO3などのハーフメタルの酸化物又は窒化物,磁性半導体としてもよい。 The insertion layer is made of soft magnetic materials such as CoNbZr, FeTaC, CoTaZr, FeAlSi, FeB, and CoFeB, Heusler alloys such as Co 2 MnSi, and half such as CrO 2 , Fe 3 O 4 , La 1-x Sr x MnO 3 A metal oxide or nitride, or a magnetic semiconductor may be used.
(3) 非磁性バリア層
低抵抗材料と高抵抗材料の2通りについて説明する。
(3) Nonmagnetic barrier layer
The two types of low resistance material and high resistance material will be described.
非磁性バリア層には,読み出し時にTMR(tunnel magneto resistive)効果により大きな再生信号出力を得るためのトンネルバリア層としての絶縁材料を用いることができる。 For the nonmagnetic barrier layer, an insulating material can be used as a tunnel barrier layer for obtaining a large reproduction signal output by the TMR (tunnel magneto resistive) effect at the time of reading.
具体的には、Al(アルミニウム), Ti(チタン), Zn(亜鉛)、Zr(ジルコニウム)、Ta(タンタル), Co(コバルト), Ni(ニッケル), Si(シリコン), Mg(マグネシウム), Fe(鉄)のグループから選択される少なくとも1つの元素を含む酸化物、窒化物又は弗化物により非磁性バリア層を構成することができる。 Specifically, Al (aluminum), Ti (titanium), Zn (zinc), Zr (zirconium), Ta (tantalum), Co (cobalt), Ni (nickel), Si (silicon), Mg (magnesium), The nonmagnetic barrier layer can be composed of an oxide, nitride or fluoride containing at least one element selected from the group of Fe (iron).
特に、非磁性バリア層は、Al2O3-x(アルミナ), MgO(酸化マグネシウム), SiO2-x, Si-O-N, Ta-O, Al-Zr-O, ZnOx、TiOx大きなエネルギーギャップを有する半導体(GaAlAsなど)から構成するのが好ましい。 In particular, the nonmagnetic barrier layer has a large energy gap of Al 2 O 3-x (alumina), MgO (magnesium oxide), SiO 2-x , Si-ON, Ta-O, Al-Zr-O, ZnOx, TiOx. It is preferable that the semiconductor is composed of a semiconductor (GaAlAs or the like).
また、非磁性バリア層に関しては、絶縁体に設けられたピンホール内に磁性材料が挿入されたナノコンタクトMR(magneto resistive)材料や、絶縁体に設けられたピンホール内にCuが挿入されたCPP(current-perpendicular-to-plane) -CPP-MR材料などから構成することにより、大きな再生信号出力を得ることができる。 As for the nonmagnetic barrier layer, a nanocontact MR (magneto resistive) material in which a magnetic material is inserted into a pinhole provided in the insulator, or Cu is inserted into a pinhole provided in the insulator. CPP (current-perpendicular-to-plane) -CPP-MR material can be used to obtain a large reproduction signal output.
非磁性バリア層がトンネルバリア層の場合、その厚さは、0.2nm〜2.0nmの範囲内の値とするのが大きな再生信号出力を得るに当たって好ましい。同様に、非磁性バリア層がナノコンタクトMR材料の場合、その厚さは、0.4nm〜40nmの範囲内の値とするのが大きな再生信号出力を得るに当たって好ましい。 When the nonmagnetic barrier layer is a tunnel barrier layer, the thickness is preferably set to a value in the range of 0.2 nm to 2.0 nm for obtaining a large reproduction signal output. Similarly, when the nonmagnetic barrier layer is a nanocontact MR material, the thickness is preferably set to a value within the range of 0.4 nm to 40 nm in order to obtain a large reproduction signal output.
4. 実施例
実際にサンプルを作成し、その特性を評価した実施例について説明する。
4). Example
An example in which a sample was actually created and its characteristics were evaluated will be described.
(1) 第1実施例
図7は、第1実施例で試作した磁気記録素子の構造を示している。
(1) First embodiment
FIG. 7 shows the structure of the magnetic recording element manufactured as a prototype in the first embodiment.
磁気記録素子は、磁気記録層11、磁気固着層12及びこれらの間の非磁性バリア層13の積層構造から構成され、かつ、下部電極21と上部電極22との間に配置される。また、磁気記録層11と上部電極22との間には、厚さが10nm以下のキャップ層15が配置される。
The magnetic recording element includes a laminated structure of a
キャップ層15は、例えば、Ta, Al, Mg, Feなどの酸化物、又は、Cu, Ag, Auなどの非磁性金属とTa, Al, Mg, Feなどの酸化物との積層構造から構成でき、磁気記録素子を保護する。
The
キャップ層15については、さらに好ましくは、厚さ1nm以下の酸化物、窒化物及び弗化物のグループから選択される1つにより構成する。
More preferably, the
キャップ層15は、スピン注入電流の低電流密度化が実現されている場合には、Ru, Cu, Ag, Au, Taなどの非磁性金属から構成してもよい。
The
なお,磁気固着層12は図7においては上部のみをピラー形状としているが,磁気固着層の下部までピラー形状になるように下部まで幅を狭くしてもよい。
In FIG. 7, only the upper part of the magnetic pinned
表1に示すように、サンプルは17種類である。共通して、磁気固着層21がFePt規則合金から構成され、非磁性バリア層13はMgOから構成されている。磁気記録層はFe-Pt合金,Fe-Co-Pt合金,Co-Pt合金,Co-Cu-Pt合金,Co-Ph-Pt合金等から構成されている。
サンプルAA1〜AA8は、本発明の例に関わる磁気記録素子であり、図8に示すように、第1実施の形態に提示した条件の範囲内にある。また、磁気記録層の膜厚は5nm以下である。 Samples AA1 to AA8 are magnetic recording elements according to examples of the present invention, and are within the range of the conditions presented in the first embodiment as shown in FIG. The film thickness of the magnetic recording layer is 5 nm or less.
これに対し、サンプルBB1〜BB4は、比較例としての磁気記録素子であり、図8に示すように、第1実施の形態に提示した条件の範囲から外れている。 On the other hand, samples BB1 to BB4 are magnetic recording elements as comparative examples, and are out of the range of the conditions presented in the first embodiment as shown in FIG.
一方、サンプルCC1〜CC5は、図8に示すように、MsとHanの関係は第1実施の形態に提示した条件の範囲内にあるが、磁気記録層11が膜厚の異なるFeCoPtから構成される。
On the other hand, in the samples CC1 to CC5, as shown in FIG. 8, the relationship between Ms and Han is within the range of the conditions presented in the first embodiment, but the
これらのサンプルは、次の手順により製造する。 These samples are manufactured by the following procedure.
まず、ウェハ上に下部電極21を形成した後、そのウエハを超高真空スパッタ装置内に配置し、下部電極21上に、磁気固着層12、非磁性バリア層13、磁気記録層11及びキャップ層15を順次堆積させる。下部電極21には、例えばAu(001)あるいはPt(001)バッファ層を用いることができる。FePt規則合金からなる磁化固着層は,例えば基板加熱されたバッファ層上に成長させることができる。その後,基板温度を室温まで下げてMgO膜を形成したのち,磁気記録層を形成する合金材料を基板温度350℃から700℃の範囲で成長させて,所望のMsおよびHanをもつ磁気記録層を得る。これらの膜には,さらにキャップ層を形成する。磁気記録層のHanは,この例のように合金の成長温度を変化させることにより変化させることができるが,ポストアニールの温度によって変化させることもできる.
次に、EB(electron beam:電子線)レジストを塗布してEB露光を行い、マスクを形成する。マスクの形状は、例えば、70nm×100nmの楕円とし、その長辺に沿った長手方向が磁気記録層の磁気異方性の方向に平行となる。
First, after forming the
Next, an EB (electron beam) resist is applied and EB exposure is performed to form a mask. The shape of the mask is, for example, an ellipse of 70 nm × 100 nm, and the longitudinal direction along the long side is parallel to the direction of magnetic anisotropy of the magnetic recording layer.
また、イオンミリング装置を用いて、マスクにより被覆されない領域に存在する磁気記録層11、磁気固着層12、非磁性バリア層13及びキャップ層15をエッチングする。ここで、エッチング量については、スパッタされた粒子を差動排気による四重極分析器に導入して質量分析を行うことで正確に把握できる。
Further, the
このエッチングにより磁気記録素子が完成する。 This etching completes the magnetic recording element.
この後、マスクを剥離し、さらに、磁気記録素子を完全に覆うSiO2を形成する。また、SiO2の表面をイオンミリングにより平坦化し、キャップ層15の上面をSiO2から露出させる。そして、最後に、キャップ層15上に上部電極22を形成する。
Thereafter, the mask is peeled off, and SiO 2 that completely covers the magnetic recording element is formed. Further, the surface of SiO 2 is planarized by ion milling, and the upper surface of the
これらのサンプルに対して、磁気記録素子の積層方向にスピン注入電流(磁化反転電流)を流し、磁気記録層の磁化を反転させるために必要な反転電流密度についてモニタリングした。 For these samples, a spin injection current (magnetization reversal current) was passed in the stacking direction of the magnetic recording element, and the reversal current density required for reversing the magnetization of the magnetic recording layer was monitored.
その結果、サンプルAA1〜AA8では、反平行から平行へ反転する場合の反転電流密度の絶対値と平行から反平行へ反転する場合の反転電流密度の絶対値を平均化した反転電流密度Jcが表1に示すように、2×106A/cm2以下となった。これに対し、サンプルBB1〜BB4では、反転電流密度が2×106A/cm2を十分に超える値となった。なお,本明細書で記載している反転電流密度Jcは,特別の記載がない限り,上記のように反平行から平行へ反転する場合の反転電流密度の絶対値と,平行から反平行へ反転する場合の反転電流密度の絶対値とを平均化した値で定義している。 As a result, in samples AA1 to AA8, the reversal current density Jc obtained by averaging the absolute value of the reversal current density when reversing from antiparallel to parallel and the absolute value of the reversal current density when reversing from parallel to antiparallel is shown. As shown in FIG. 1, it was 2 × 10 6 A / cm 2 or less. On the other hand, in samples BB1 to BB4, the reversal current density sufficiently exceeded 2 × 10 6 A / cm 2 . Note that the reversal current density Jc described in this specification is the absolute value of the reversal current density when reversing from antiparallel to parallel as described above, and reversal from parallel to antiparallel unless otherwise specified. In this case, the absolute value of the reversal current density is defined as an average value.
さらにサンプルCC1〜CC5では、図9に示すように、反転電流密度Jcが磁気記録層の厚さにほぼ比例し、良好な特性を得るための反転電流密度2×106A/cm2を実現するためには、磁気記録層は5nm以下であることが望ましいことが分かる。 Furthermore, in samples CC1 to CC5, as shown in FIG. 9, the reversal current density Jc is almost proportional to the thickness of the magnetic recording layer, and a reversal current density of 2 × 10 6 A / cm 2 is obtained to obtain good characteristics. In order to achieve this, it is understood that the magnetic recording layer is desirably 5 nm or less.
この結果から明らかなように、本発明の例によれば、スピン注入電流の電流密度を2×106A/cm2以下に低減化できることが確認された。また、非磁性バリア層をAl2O3―X, SiO2―X, TiOx, ZnOxとした場合も同様の傾向がえられた。 As is apparent from this result, according to the example of the present invention, it was confirmed that the current density of the spin injection current can be reduced to 2 × 10 6 A / cm 2 or less. The same tendency was obtained when the nonmagnetic barrier layer was Al 2 O 3 -X , SiO 2 -X , TiOx, ZnOx.
図10及び図11は、サンプルA1の書き込み特性の評価結果を示している。 10 and 11 show the evaluation results of the write characteristics of sample A1.
まず、図10に示すように、外部磁場が零の条件でスピン注入電流Isを流し、磁気記録層11の残留磁化の磁化方向を決定する。
First, as shown in FIG. 10, the spin injection current Is is passed under the condition that the external magnetic field is zero, and the magnetization direction of the residual magnetization of the
スピン注入電流Isが磁気記録層11から磁気固着層12に向かって流れるとき、磁気記録素子の磁化状態は、磁気記録層11の磁化方向と磁気固着層12の磁化方向とが同じとなる平行状態になる。
When the spin injection current Is flows from the
また、スピン注入電流Isが磁気固着層12から磁気記録層11に向かって流れるとき、磁気記録素子の磁化状態は、磁気記録層11の磁化方向と磁気固着層12の磁化方向とが逆となる反平行状態になる。
Further, when the spin injection current Is flows from the magnetic pinned
次に、磁気記録素子に読み出し電流を流し、平行/反平行状態の抵抗Rを測定する。その結果、図11に示すように、スピン注入電流Isと磁気記録素子の抵抗Rとの関係が得られる。 Next, a read current is passed through the magnetic recording element, and the resistance R in the parallel / antiparallel state is measured. As a result, as shown in FIG. 11, the relationship between the spin injection current Is and the resistance R of the magnetic recording element is obtained.
この評価により、小さな反転電流密度で、きちんと磁化反転が行われていることが確認された。 From this evaluation, it was confirmed that magnetization reversal was properly performed with a small reversal current density.
尚、磁気記録層の磁化を反転させるために必要な電流の最小値を臨界電流Icとすると、臨界電流Ic以上の電流で書き込みが行えると共に、読み出し電流については、読み出し時における誤書き込みを防止するために、臨界電流Icよりも小さな値にする。 If the minimum value of the current required for reversing the magnetization of the magnetic recording layer is the critical current Ic, writing can be performed with a current equal to or higher than the critical current Ic, and erroneous writing at the time of reading can be prevented. Therefore, the value is smaller than the critical current Ic.
(2) 第2実施例
図12乃至図14は、第2実施例で試作した磁気記録素子の構造を示している。
(2) Second embodiment
12 to 14 show the structure of the magnetic recording element manufactured as a prototype in the second embodiment.
磁気記録素子は、磁気記録層11、磁気固着層12及びこれらの間の非磁性バリア層13の積層構造から構成される。この磁気記録素子の特徴は、磁気記録層11が非磁性材料16により分離された複数の磁性微粒子101の集合体から構成され、各々の磁性微粒子101の磁化方向が独立に決定される点にある。
The magnetic recording element has a laminated structure of a
ここで、磁気記録層11を構成する磁性微粒子101の結晶粒界に非磁性材料16を存在させるのが製造プロセスの観点から好ましい。非磁性材料16は、例えば、MgOX, Al2O3―X, SiO2などの酸素を含む材料から構成される。特に,非磁性材料16が非磁性バリア層13と同様の材料からなる場合には,結晶配向の制御が容易となり,製造上および磁気異方性の特性上,好ましい。
Here, it is preferable from the viewpoint of the manufacturing process that the
磁気記録層11上には、厚さが10nm以下のキャップ層15が配置される。
A
キャップ層15は、例えば、Ta, Al, Mg, Feなどの酸化物、又は、Cu, Ag, Auなどの非磁性金属とTa, Al, Mg, Feなどの酸化物との積層構造から構成でき、磁気記録素子を保護する。キャップ層15は、スピン注入電流の低電流密度化が実現されている場合には、Ru, Cu, Ag, Au, Taなどの非磁性金属から構成してもよい。
The
キャップ層15については、さらに好ましくは、厚さ1nm以下の酸化物、窒化物及び弗化物のグループから選択される1つにより構成する。
More preferably, the
キャップ層15は、スピン注入電流の低電流密度化が実現されている場合には、Ru, Cu, Ag, Au, Taなどの非磁性金属から構成してもよい。
The
このような構造の磁気記録素子について、第1実施例と同様に、複数のサンプルを作成し、その特性を評価した。 For the magnetic recording element having such a structure, a plurality of samples were prepared and the characteristics thereof were evaluated in the same manner as in the first example.
具体的には、第1実施例のサンプルAA1〜AA8において、磁気記録層を、MgO、もしくはAl2O3-X, SiO2―X, TiOx, ZnOxからなる非磁性体と、これにより分断されたAA1〜AA8磁気記録層材料からなる微粒子とで形成した。磁気記録層の形成は、例えば非磁性材料と磁性微粒子材料を同時蒸着することにより可能である。また、磁性膜をパターンに微細加工して周囲を非磁性材料により埋め込むことでも可能である。 Specifically, in the samples AA1 to AA8 of the first embodiment, the magnetic recording layer is separated from the nonmagnetic material composed of MgO or Al 2 O 3 -X , SiO 2 -X , TiOx, ZnOx. And AA1 to AA8 magnetic recording layer material. The magnetic recording layer can be formed, for example, by simultaneously depositing a nonmagnetic material and a magnetic fine particle material. It is also possible to finely process the magnetic film into a pattern and embed the periphery with a nonmagnetic material.
この場合、磁気記録層の厚さは第1実施例のサンプルAA1〜AA8よりも若干厚くなる場合があり、最大10nmとなった。しかし、この構造においては、電流集中効果が起こるため、2×106 A/cm2以下の小さな反転電流密度で、きちんと磁化反転が行われていることが確認された。 In this case, the thickness of the magnetic recording layer may be slightly thicker than the samples AA1 to AA8 of the first embodiment, which is 10 nm at the maximum. However, in this structure, since the current concentration effect occurs, it was confirmed that the magnetization reversal was properly performed at a small reversal current density of 2 × 10 6 A / cm 2 or less.
(3) 第3実施例
図16は、第3実施例で試作した磁気記録素子の構造を示している。
(3) Third embodiment
FIG. 16 shows the structure of a magnetic recording element that was prototyped in the third embodiment.
磁気記録素子は、磁気記録層11、磁気固着層12及びこれらの間の非磁性バリア層13の積層構造から構成される。この磁気記録素子の特徴は、磁気固着層12内に、酸素を含む層17が形成されている点にある。酸素を含む層17は、磁気固着層12の磁化状態を安定させる機能を有する。
The magnetic recording element has a laminated structure of a
磁気記録層11上には、厚さが10nm以下のキャップ層15が配置される。
A
キャップ層15は、例えば、Ta, Al, Mg, Feなどの酸化物、又は、Cu, Ag, Auなどの非磁性金属とTa, Al, Mg, Feなどの酸化物との積層構造から構成でき、磁気記録素子を保護する。
The
キャップ層15については、さらに好ましくは、厚さ1nm以下の酸化物、窒化物及び弗化物のグループから選択される1つにより構成する。
More preferably, the
キャップ層15は、スピン注入電流の低電流密度化が実現されている場合には、Ru, Cu, Ag, Au, Taなどの非磁性金属から構成してもよい。
The
このような構造の磁気記録素子について、第1実施例と同様に、複数のサンプルを作成し、その特性を評価したところ、2×106 A/cm2以下の小さな反転電流密度で、きちんと磁化反転が行われていることが確認された。 For the magnetic recording element having such a structure, as in the first embodiment, a plurality of samples were prepared and their characteristics were evaluated. As a result, when the reversal current density was 2 × 10 6 A / cm 2 or less, magnetization was properly performed. It was confirmed that reversal was taking place.
(4) 第4実施例
図17は、第4実施例で試作した磁気記録素子の構造を示している。
(4) Fourth embodiment
FIG. 17 shows the structure of the magnetic recording element manufactured in the fourth embodiment.
磁気記録素子は、磁気記録層11、磁気固着層12及びこれらの間の非磁性バリア層13の積層構造から構成される。この磁気記録素子の特徴は、磁気記録層11の上面を覆うキャップ層15が2層構造を有している点にある。
The magnetic recording element has a laminated structure of a
キャップ層15Aは、厚さ3nm以下の非磁性金属から構成される。また、キャップ層15Bは、厚さ1nm以下の酸化物、窒化物及び弗化物のグループから選択される1つにより構成される。
The
このような構造の磁気記録素子について、第1実施例と同様に、複数のサンプルを作成し、その特性を評価したところ、2×106 A/cm2以下の小さな反転電流密度で、きちんと磁化反転が行われていることが確認された。 For the magnetic recording element having such a structure, as in the first embodiment, a plurality of samples were prepared and their characteristics were evaluated. As a result, when the reversal current density was 2 × 10 6 A / cm 2 or less, magnetization was properly performed. It was confirmed that reversal was taking place.
(5) 第5実施例
図18及び図19は、第5実施例の磁気記録素子の構造を示している。
(5) Fifth embodiment
18 and 19 show the structure of the magnetic recording element of the fifth embodiment.
磁気記録素子は、磁気記録層11、磁気固着層12及びこれらの間の非磁性バリア層13の積層構造から構成され、かつ、下部電極21と上部電極22との間に配置される。
The magnetic recording element includes a laminated structure of a
磁気固着層12と下部電極21との間には、磁気固着層12の磁化を固着するための反強磁性層18が配置される。また、磁気記録層11と上部電極22との間には、磁気記録素子を保護するためのキャップ層15が配置される。
An
第5実施例では、垂直磁化膜を採用した場合と面内磁化膜を採用した場合とについて、その効果を比較検討する。 In the fifth embodiment, the effect is compared between the case where the perpendicular magnetization film is used and the case where the in-plane magnetization film is used.
表2に示すように、サンプルは4種類である。
サンプルA1,A2は、図18に示すように、磁気記録層11の磁化容易軸方向が膜面に対して垂直方向になるため、磁気記録層11の残留磁化の磁化方向も膜面に対して垂直方向、即ち、磁気記録層11、磁気固着層12及び非磁性バリア層13の積層方向になる。また、磁気固着層12の磁化は、反強磁性層18により膜面に対して垂直方向に固定される。
In Samples A1 and A2, as shown in FIG. 18, the direction of the easy axis of magnetization of the
サンプルB1,B2は、図19に示すように、磁気記録層11の磁化容易軸方向が膜面に対して水平方向になるため、磁気記録層11の残留磁化の磁化方向も膜面に対して水平方向、即ち、磁気記録層11の面内方向になる。また、磁気固着層12の磁化は、反強磁性層18により膜面に対して水平方向に固定される。
In Samples B1 and B2, as shown in FIG. 19, the magnetization easy axis direction of the
サンプルA1, A2は、本発明の例に関わる磁気記録素子であり、図20に示すように、第1実施の形態に提示した条件の範囲内にある。 Samples A1 and A2 are magnetic recording elements according to examples of the present invention, and are within the range of the conditions presented in the first embodiment as shown in FIG.
サンプルA1は、磁気記録層11がFe(0.2nm)/FeCuPt(1nm)の積層構造から構成され、磁気固着層12がPt/Coの積層構造から構成され、非磁性バリア層13がAl2O3―xから構成される。括弧内の数値は厚さである。
In the sample A1, the
サンプルA2は、磁気記録層11がCoPt(2nm)から構成され、磁気固着層12がGdFeCo/Fe3O4の積層構造から構成され、非磁性バリア層13がMgOから構成される。括弧内の数値は厚さである。
In sample A2, the
これに対し、サンプルB1,B2は、比較例としての磁気記録素子であり、図20に示すように、第1実施の形態に提示した条件の範囲から外れている。 On the other hand, samples B1 and B2 are magnetic recording elements as comparative examples, and are out of the range of conditions presented in the first embodiment as shown in FIG.
サンプルB1は、磁気記録層11がCoFe(2.5nm)から構成され、磁気固着層12がCoFe/Ru/CoFeのSAF(synthetic anti-ferromagnetic)構造から構成され、非磁性バリア層13がAl2O3―xから構成される。括弧内の数値は厚さである。
In sample B1, the
サンプルB2は、磁気記録層11がCoFeB(2.5nm)から構成され、磁気固着層12がCoFe/CoFeBの積層構造から構成され、非磁性バリア層13がMgOから構成される。括弧内の数値は厚さである。
In the sample B2, the
これらのサンプルA1, A2, B1, B2に対して、磁気記録素子の積層方向にスピン注入電流(磁化反転電流)を流し、磁気記録層の磁化を反転させるために必要な反転電流密度についてモニタリングした。 For these samples A1, A2, B1, and B2, a spin injection current (magnetization reversal current) was applied in the magnetic recording element stacking direction, and the reversal current density required to reverse the magnetization of the magnetic recording layer was monitored. .
その結果、サンプルA1では、反平行から平行へ反転する場合の反転電流密度の絶対値と平行から反平行へ反転する場合の反転電流密度の絶対値の平均化された反転電流密度Jcが8×105A/cm2となり、サンプルA2では、反転電流密度が9×105A/cm2となった。これに対し、サンプルB1では、反転電流密度が4×107A/cm2となり、サンプルB2では、反転電流密度が6×106A/cm2となった。 As a result, in sample A1, the averaged reversal current density Jc of the reversal current density when reversing from antiparallel to parallel and the reversal current density when reversing from parallel to antiparallel is 8 ×. 10 5 A / cm 2 , and in sample A2, the reversal current density was 9 × 10 5 A / cm 2 . In contrast, in sample B1, the reversal current density was 4 × 10 7 A / cm 2 , and in sample B2, the reversal current density was 6 × 10 6 A / cm 2 .
この結果から明らかなように、本発明の例によれば、従来よりもスピン注入電流の電流密度を1/5以下に小さくでき、2×106A/cm2以下の反転電流密度を実現できることが確認された。 As is clear from this result, according to the example of the present invention, the current density of the spin injection current can be reduced to 1/5 or less than the conventional one, and an inversion current density of 2 × 10 6 A / cm 2 or less can be realized. Was confirmed.
(6) その他
本発明の例による効果は、磁気記録素子の形状及び寸法、下部/上部電極の形状、寸法、材料、さらには、パッシベーション層などの絶縁層の種類などによって変わることはないため、これらを当業者が公知の範囲から適宜選択して採用することができる。
(6) Other
The effect of the example of the present invention does not vary depending on the shape and size of the magnetic recording element, the shape and size of the lower / upper electrode, the material, and the type of insulating layer such as a passivation layer. Can be appropriately selected from a known range.
磁気記録素子を構成する磁性記録層、磁気固着層及び非磁性バリア層の各々についても、全て同一形状、同一サイズとする必要はなく、互いに異なる形状、サイズとなるように設計してもよい。 The magnetic recording layer, magnetic pinned layer, and nonmagnetic barrier layer constituting the magnetic recording element need not all have the same shape and size, and may be designed to have different shapes and sizes.
但し、製造プロセス上、磁気記録層の平面形状としては、縦横比で1:1から1:4までの範囲内にある正方形、長方形、多角形(例えば、六角形)、円形、楕円形、菱型、又は、平行四辺形とすることが好ましい。 However, in the manufacturing process, the planar shape of the magnetic recording layer may be a square, a rectangle, a polygon (for example, a hexagon), a circle, an ellipse, or a rhombus in an aspect ratio of 1: 1 to 1: 4. It is preferable to use a mold or a parallelogram.
また、磁気記録層のサイズは、一辺が5nm〜200nmの範囲内の値にすることが好ましい。 The size of the magnetic recording layer is preferably set to a value within a range of 5 nm to 200 nm on one side.
磁気記録素子の断面形状としては、四角形、台形など、磁性記録層、磁気固着層及び非磁性バリア層の断面のサイズが同じ又は連続的に変化するようにすることが製造プロセス上好ましいが、各層の断面のサイズを不連続に変化させてもよい。 As the cross-sectional shape of the magnetic recording element, it is preferable from the manufacturing process that the cross-sectional sizes of the magnetic recording layer, the magnetic pinned layer, and the nonmagnetic barrier layer are the same or continuously changed, such as a quadrangle and a trapezoid. You may change the size of the cross section discontinuously.
また、反強磁性層、磁気固着層、非磁性バリア層、磁気記録層、キャップ層、絶縁層などの構成要素については、それぞれ、単層でもよいし、複数の層から構成されていてもよい。 In addition, each component such as an antiferromagnetic layer, a magnetic pinned layer, a nonmagnetic barrier layer, a magnetic recording layer, a cap layer, and an insulating layer may be a single layer or a plurality of layers. .
5. 適用例
本発明の例に関わる磁気記録素子の適用例について説明する。
5). Application examples
An application example of the magnetic recording element according to the example of the present invention will be described.
ここでは、磁気メモリとしての磁気ランダムアクセスメモリ(magnetic random access memory: MRAM)及びプローブメモリ(probe memory)の例と、リコンフィギャブル(re-configurable)なロジック回路を実現するためのスピンFET(field effect transistor)の例とについて述べる。 Here, examples of magnetic random access memory (MRAM) and probe memory as magnetic memory, and spin FET (field) for realizing a re-configurable logic circuit An example of an effect transistor) will be described.
(1) 磁気ランダムアクセスメモリ
本発明の例に関わる磁気記録素子を磁気ランダムアクセスメモリに適用するに当たっては、メモリセルアレイの種類又は構造に制限を受けることはない。以下では、スピン注入書き込みに適した1トランジスタ−1MTJ(magneto tunnel junction)タイプを代表例とする。
(1) Magnetic random access memory
When the magnetic recording element according to the example of the present invention is applied to a magnetic random access memory, the type or structure of the memory cell array is not limited. In the following, a representative example is a 1 transistor-1 MTJ (magneto tunnel junction) type suitable for spin injection writing.
A. 回路構造
図21は、本発明の例に関わる磁気ランダムアクセスメモリのメモリセルアレイの回路構造を示している。
A. Circuit structure
FIG. 21 shows a circuit structure of a memory cell array of a magnetic random access memory according to an example of the present invention.
メモリセルアレイ31は、アレイ状に配置される複数のメモリセルMC1,MC2,MC3,MC4から構成される。メモリセルMC1,MC2,MC3,MC4は、それぞれ、直列接続された磁気記録素子MTJとMOSトランジスタTRとから構成される。
MOSトランジスタTRのゲートは、ワード線WL(i),WL(i+1)に接続される。ワード線WL(i),WL(i+1)は、x方向に延び、その一端は、ロウ選択スイッチとしてのMOSトランジスタRSWを経由して、ワード線ドライバ32に接続される。
The gate of the MOS transistor TR is connected to the word lines WL (i) and WL (i + 1). The word lines WL (i) and WL (i + 1) extend in the x direction, and one end thereof is connected to the
MOSトランジスタRSWのゲートには、読み出し/書き込み時に、メモリセルアレイ31の1つのロウを選択するためのロウ選択信号RSL(i),RSL(i+1)が入力される。
Row selection signals RSL (i) and RSL (i + 1) for selecting one row of the
ワード線ドライバ32は、選択された1つのロウ内のワード線をドライブする。例えば、ワード線WL(i)が選択される場合、ワード線WL(i)の電位を“H”にし、ワード線WL(i)に接続されるMOSトランジスタTRをオンにする。
The
メモリセルMC1,MC2,MC3,MC4を構成する磁気記録素子MTJの一端は、ビット線BLu(j),BLu(j+1)に接続される。 One end of the magnetic recording element MTJ constituting the memory cells MC1, MC2, MC3, MC4 is connected to the bit lines BLu (j), BLu (j + 1).
ビット線BLu(j),BLu(j+1)は、x方向に交差するy方向に延び、その一端は、カラム選択スイッチとしてのMOSトランジスタCSWuを経由して、ビット線ドライバ/シンカー33に接続される。
The bit lines BLu (j) and BLu (j + 1) extend in the y direction crossing the x direction, and one end thereof is connected to the bit line driver /
MOSトランジスタCSWuのゲートには、読み出し/書き込み時に、メモリセルアレイ31の1つのカラムを選択するためのカラム選択信号CSLu(j),CSLu(j+1)が入力される。
Column selection signals CSLu (j) and CSLu (j + 1) for selecting one column of the
メモリセルMC1,MC2,MC3,MC4を構成するMOSトランジスタTRの一端は、ビット線BLd(j),BLd(j+1)に接続される。 One end of the MOS transistor TR constituting the memory cells MC1, MC2, MC3, MC4 is connected to the bit lines BLd (j), BLd (j + 1).
ビット線BLd(j),BLd(j+1)は、y方向に延び、その一端は、カラム選択スイッチとしてのMOSトランジスタCSWdを経由して、ビット線ドライバ/シンカー34に接続される。
The bit lines BLd (j) and BLd (j + 1) extend in the y direction, and one end thereof is connected to the bit line driver /
MOSトランジスタCSWdのゲートには、書き込み時に、メモリセルアレイ31の1つのカラムを選択するためのカラム選択信号CSLd(j),CSLd(j+1)が入力される。
Column selection signals CSLd (j) and CSLd (j + 1) for selecting one column of the
また、ビット線BLd(j),BLd(j+1)の一端は、カラム選択スイッチとしてのMOSトランジスタCSWrを経由して、共通読み出し線RLに接続され、共通読み出し線RLは、センスアンプS/Aに接続される。 One end of each of the bit lines BLd (j) and BLd (j + 1) is connected to the common read line RL via the MOS transistor CSWr as a column selection switch, and the common read line RL is connected to the sense amplifier S / A. Connected.
MOSトランジスタCSWrのゲートには、読み出し時に、メモリセルアレイ31の1つのカラムを選択するためのカラム選択信号CSLr(j),CSLr(j+1)が入力される。
Column selection signals CSLr (j) and CSLr (j + 1) for selecting one column of the
センスアンプS/Aは、参照電位Vrefに基づいて、選択されたメモリセルMC内の磁気記録素子MTJのデータ値を判定し、これを出力信号DATAとして出力する。 The sense amplifier S / A determines the data value of the magnetic recording element MTJ in the selected memory cell MC based on the reference potential Vref, and outputs this as the output signal DATA.
ここで、ビット線ドライバ/シンカー33,34は、選択された1つのカラム内のビット線にスピン注入電流Isを流すために設けられる。
Here, the bit line drivers /
磁気記録素子MTJの磁化状態が反平行のときを“1”とし、平行のときを“0”とアサイン(assign)する。 “1” is assigned when the magnetization state of the magnetic recording element MTJ is antiparallel, and “0” is assigned when it is parallel.
メモリセルMC1に“1”を書き込む場合、ロウ選択信号RSL(i)を“H”にし、ワード線WL(i)を“H”にして、メモリセルMC1内のMOSトランジスタTRをオンにする。 When “1” is written to the memory cell MC1, the row selection signal RSL (i) is set to “H”, the word line WL (i) is set to “H”, and the MOS transistor TR in the memory cell MC1 is turned on.
また、カラム選択信号CSLu(j),CSLd(j)を“H”にし、ビット線ドライバ/シンカー33から、メモリセルMC1を経由して、ビット線ドライバ/シンカー34に向かうスピン注入電流Isを流す。この時、メモリセルMC1内の磁気記録素子MTJでは、スピン偏極された電子により磁化状態が反平行となり、“1”が書き込まれる。
Further, the column selection signals CSLu (j) and CSLd (j) are set to “H”, and the spin injection current Is flowing from the bit line driver /
また、メモリセルMC1に“0”を書き込む場合、同様に、ロウ選択信号RSL(i)を“H”にし、ワード線WL(i)を“H”にして、メモリセルMC1内のMOSトランジスタTRをオンにする。 Similarly, when “0” is written in the memory cell MC1, the row selection signal RSL (i) is set to “H”, the word line WL (i) is set to “H”, and the MOS transistor TR in the memory cell MC1 is similarly written. Turn on.
また、カラム選択信号CSLu(j),CSLd(j)を“H”にし、ビット線ドライバ/シンカー34から、メモリセルMC1を経由して、ビット線ドライバ/シンカー33に向かうスピン注入電流Isを流す。この時、メモリセルMC1内の磁気記録素子MTJでは、スピン偏極された電子により磁化状態が平行となり、“0”が書き込まれる。
Further, the column selection signals CSLu (j) and CSLd (j) are set to “H”, and a spin injection current Is flowing from the bit line driver /
読み出しに関しては、例えば、センスアンプS/Aとビット線ドライバ/シンカー33を用いて実行する。
The read is performed using, for example, the sense amplifier S / A and the bit line driver /
例えば、メモリセルMC1のデータを読み出す場合、ロウ選択信号RSL(i)を“H”にし、ワード線WL(i)を“H”にして、メモリセルMC1内のMOSトランジスタTRをオンにする。 For example, when reading data from the memory cell MC1, the row selection signal RSL (i) is set to “H”, the word line WL (i) is set to “H”, and the MOS transistor TR in the memory cell MC1 is turned on.
また、カラム選択信号CSLu(j)を“H”にし、ビット線BLu(j)をビット線ドライバ/シンカー33に電気的に接続し、カラム選択信号CSLr(j)を“H”にし、ビット線BLd(j)をセンスアンプS/Aに電気的に接続する。
Further, the column selection signal CSLu (j) is set to “H”, the bit line BLu (j) is electrically connected to the bit line driver /
ビット線ドライバ/シンカー33は、例えば、ビット線BLu(j)の一端を接地点に接続し、センスアンプS/Aは、メモリセルMC1に読み出し電流を供給する。センスアンプS/Aは、読み出し電流がメモリセルMC1内の磁気記録素子MTJに流れるときの抵抗値を検出し、それに記憶されたデータ値を判定する。
For example, the bit line driver /
B. デバイス構造
図22乃至図25は、図21のメモリセルMC1,MC2,MC3,MC4のデバイス構造の例を示している。
B. Device structure
22 to 25 show examples of device structures of the memory cells MC1, MC2, MC3, and MC4 of FIG.
メモリセルは、MOSトランジスタTRと本発明の例に関わる磁気記録素子(磁気抵抗効果素子)MTJとから構成される。 The memory cell includes a MOS transistor TR and a magnetic recording element (magnetoresistance effect element) MTJ according to an example of the present invention.
MOSトランジスタTRは、半導体基板41上に形成される。MOSトランジスタTRのゲート電極は、ワード線WL(i)としてx方向(紙面に直交する方向)に延びる。
The MOS transistor TR is formed on the
MOSトランジスタTRの2つのソース/ドレイン拡散層の一方は、下部ビット線BLd(j)に接続され、他方は、磁気記録素子MTJの一端(下面)に接続される。磁気記録素子MTJの他端(上面)は、上部ビット線BLu(j)に接続される。 One of the two source / drain diffusion layers of the MOS transistor TR is connected to the lower bit line BLd (j), and the other is connected to one end (lower surface) of the magnetic recording element MTJ. The other end (upper surface) of the magnetic recording element MTJ is connected to the upper bit line BLu (j).
上部ビット線BLu(j)及び下部ビット線BLd(j)は、それぞれy方向に延びる。 The upper bit line BLu (j) and the lower bit line BLd (j) each extend in the y direction.
磁気記録素子は、トップピン構造を有する。即ち、半導体基板41側から、下地層42、磁気記録層11、トンネルバリア層(絶縁層)13、磁気固着層12、反強磁性層18、キャップ層15A,15Bの順序で積層される。
The magnetic recording element has a top pin structure. That is, the
尚、磁気記録素子については、ボトムピン構造であってもよい。 The magnetic recording element may have a bottom pin structure.
このようなデバイス構造のメモリセルにおいて、図22に示すように、“1”−書き込み時には、図21のビット線ドライバ/シンカー33内の電流源から、上部ビット線BLu(j)→磁気記録素子MTJ→下部ビット線BLd(j)という経路を経て、接地点に向かってスピン注入電流Isを流す。
In the memory cell having such a device structure, as shown in FIG. 22, at the time of “1” -writing, the upper bit line BLu (j) → the magnetic recording element from the current source in the bit line driver /
この時、磁気記録素子MTJの内部では、電子流は、磁気記録層11から磁気固着層12に向かって流れることになる。一般的には、電子流が磁気記録層11から磁気固着層12に向かって流れるとき、磁気記録層11の磁化は、磁気固着層12の磁化に対して反平行になる。
At this time, the electron current flows from the
また、図23に示すように、“0”−書き込み時には、図21のビット線ドライバ/シンカー34内の電流源から、下部ビット線BLd(j)→磁気記録素子MTJ→上部ビット線BLu(j)という経路を経て、接地点に向かってスピン注入電流Isを流す。
Further, as shown in FIG. 23, at the time of “0” -writing, the lower bit line BLd (j) → the magnetic recording element MTJ → the upper bit line BLu (j) from the current source in the bit line driver /
この時、磁気記録素子MTJの内部では、電子流は、磁気固着層12から磁気記録層11に向かって流れることになる。一般的には、電子流が磁気固着層12から磁気記録層11に向かって流れるとき、磁気記録層11の磁化は、磁気固着層12の磁化に対して平行になる。
At this time, the electron current flows from the magnetic pinned
読み出し時には、図24及び図25に示すように、例えば、センスアンプS/Aから磁気記録素子MTJを経由して接地点に向かって読み出し電流Irを流す。読み出し電流Irが磁気記録素子MTJに流れるとき、センスアンプS/Aの入力電位は、磁気記録素子MTJの状態によって変化する。 At the time of reading, as shown in FIGS. 24 and 25, for example, a read current Ir is supplied from the sense amplifier S / A to the ground point via the magnetic recording element MTJ. When the read current Ir flows through the magnetic recording element MTJ, the input potential of the sense amplifier S / A changes depending on the state of the magnetic recording element MTJ.
例えば、図24に示すように、磁気記録素子MTJに“1”−データが記憶されているとき、磁気記録素子MTJの抵抗値は、大きくなっており(反平行状態)、センスアンプS/Aの入力電位は、参照電位Vrefよりも高くなる。 For example, as shown in FIG. 24, when “1” -data is stored in the magnetic recording element MTJ, the resistance value of the magnetic recording element MTJ is large (anti-parallel state), and the sense amplifier S / A Is higher than the reference potential Vref.
従って、センスアンプS/Aは、出力信号DATAとして“1”を出力する。 Therefore, the sense amplifier S / A outputs “1” as the output signal DATA.
また、図25に示すように、磁気記録素子MTJに“0”−データが記憶されているとき、磁気記録素子MTJの抵抗値は、小さくなっており(平行状態)、センスアンプS/Aの入力電位は、参照電位Vrefよりも低くなる。 As shown in FIG. 25, when “0” -data is stored in the magnetic recording element MTJ, the resistance value of the magnetic recording element MTJ is small (parallel state), and the sense amplifier S / A The input potential is lower than the reference potential Vref.
従って、センスアンプS/Aは、出力信号DATAとして“0”を出力する。 Therefore, the sense amplifier S / A outputs “0” as the output signal DATA.
尚、本例では、読み出し電流Irの向きは、下部ビット線BLd(j)から上部ビット線BLu(j)に向かう方向であるが、これと逆向き、即ち、上部ビット線BLu(j)から下部ビット線BLd(j)に向かう方向にしてもよい。また、読み出し方法については、本例とは異なる方法を採用してもよい。 In this example, the direction of the read current Ir is the direction from the lower bit line BLd (j) to the upper bit line BLu (j), but in the opposite direction, that is, from the upper bit line BLu (j). The direction may be toward the lower bit line BLd (j). Further, as a reading method, a method different from this example may be adopted.
読み出し電流Irの値は、読み出し時におけるディスターブを抑制するため、スピン注入電流Isの値よりも十分に小さくする。具体的には、読み出し電流Irの値は、磁化反転の臨界電流Icよりも小さくすればよい。 The value of the read current Ir is made sufficiently smaller than the value of the spin injection current Is in order to suppress disturbance during reading. Specifically, the value of the read current Ir may be smaller than the critical current Ic for magnetization reversal.
本例では、磁気記録素子MTJの磁化状態が反平行のときを“1”とし、平行のときを“0”とアサインしたが、その逆であってもよい。 In this example, “1” is assigned when the magnetization state of the magnetic recording element MTJ is antiparallel, and “0” is assigned when it is parallel, but the opposite is also possible.
読み出しに関しては、MR(magneto-resistive)比を大きくして高信号出力を得るために、トンネルバリア層を、高抵抗材料、例えば、アルミナや、MgOなどの絶縁材料から構成するのが好ましい。 Regarding reading, in order to obtain a high signal output by increasing the MR (magneto-resistive) ratio, the tunnel barrier layer is preferably made of a high-resistance material, for example, an insulating material such as alumina or MgO.
また、このようなトンネルバリア層に代えて、絶縁材料に設けられた多数のホール内にCuや磁性体などを埋め込んだCPP-CPP-MR材料又はナノコンタクトMR材料を、磁気記録層と磁気固着層との間の非磁性バリア層として採用すれば、読み出しに関しては、さらに好都合である。 Instead of such a tunnel barrier layer, a CPP-CPP-MR material or a nanocontact MR material in which Cu or a magnetic material is embedded in a number of holes provided in an insulating material is magnetically fixed to the magnetic recording layer. If it is employed as a nonmagnetic barrier layer between the layers, it is more convenient for reading.
メモリセルを構成するMOSトランジスタTRは、選択スイッチとしての機能を有していれば、バイポーラトランジスタ、ダイオードなどの素子に代えても問題はない。 As long as the MOS transistor TR constituting the memory cell has a function as a selection switch, there is no problem even if it is replaced with an element such as a bipolar transistor or a diode.
C. 磁気記録素子のレイアウト
磁気記録素子MTJのレイアウトについては、メモリセルアレイの構造との関連も含め、様々なタイプを想定できる。
C. Magnetic recording element layout
Regarding the layout of the magnetic recording element MTJ, various types can be assumed including the relationship with the structure of the memory cell array.
図22乃至図25のメモリセルアレイは、メモリセルが1つのトランジスタと1つの磁気記録素子とから構成される1トランジスタ−1MTJタイプである。この場合、1つのメモリセルに対して、独立した1つの磁気記録素子MTJが割り当てられる。 The memory cell array of FIGS. 22 to 25 is a one-transistor-1MTJ type in which a memory cell is composed of one transistor and one magnetic recording element. In this case, one independent magnetic recording element MTJ is assigned to one memory cell.
これに対し、図26に示すように、1トランジスタ−1MTJタイプのメモリセルアレイにおいて、磁気記録素子MTJを、非磁性材料により分離された複数の磁性粒子(多結晶構造)の集合体から構成し、全てのメモリセルの磁気記録素子MTJを一体化してもよい。 On the other hand, as shown in FIG. 26, in the one-transistor-1MTJ type memory cell array, the magnetic recording element MTJ is composed of an aggregate of a plurality of magnetic particles (polycrystalline structure) separated by a nonmagnetic material, The magnetic recording elements MTJ of all the memory cells may be integrated.
この場合、磁気記録素子MTJは、半導体基板41の上部にベタに形成されるため、製造プロセスが簡略化され、製造コストの低下を実現できる。
In this case, since the magnetic recording element MTJ is solidly formed on the top of the
このような構造においても、磁気記録素子MTJは、複数の磁性粒子の集合体からなり、磁性粒子ごとに磁化方向を決定できるため、プラグa,bの間の領域の磁化のみを選択的に変えることが可能である。 Even in such a structure, the magnetic recording element MTJ is composed of an aggregate of a plurality of magnetic particles and can determine the magnetization direction for each magnetic particle, so that only the magnetization in the region between the plugs a and b is selectively changed. It is possible.
従って、磁気メモリとしての機能は、図22乃至図25の構造の磁気メモリと何ら変わることはない。 Therefore, the function as the magnetic memory is not different from that of the magnetic memory having the structure shown in FIGS.
図27乃至図29のメモリセルアレイは、クロスポイントタイプである。 The memory cell array in FIGS. 27 to 29 is a cross-point type.
図27の構造では、図22乃至図25の構造と同様に、1つのメモリセルに対して、独立した1つの磁気記録素子MTJが割り当てられる。 In the structure of FIG. 27, as in the structures of FIGS. 22 to 25, one independent magnetic recording element MTJ is assigned to one memory cell.
また、図28の構造では、ビット線BL(j),BL(j+1)の直下に、ビット線BL(j),BL(j+1)に沿うように磁気記録素子MTJがレイアウトされる。この場合、磁気記録素子MTJは、ビット線BL(j),BL(j+1)の加工と同時に加工されるため、製造プロセスが簡略化され、製造コストの低下を実現できる。 In the structure of FIG. 28, the magnetic recording elements MTJ are laid out along the bit lines BL (j) and BL (j + 1) immediately below the bit lines BL (j) and BL (j + 1). In this case, since the magnetic recording element MTJ is processed simultaneously with the processing of the bit lines BL (j) and BL (j + 1), the manufacturing process is simplified and the manufacturing cost can be reduced.
図29の構造では、磁気記録素子MTJは、ワード線WL(i),BL(i+1)とビット線BL(j),BL(j+1)との間の領域にベタに形成される。この場合、磁気記録素子MTJの加工を省略することができるため、製造プロセスが簡略化され、製造コストの低下を実現できる。 In the structure of FIG. 29, the magnetic recording element MTJ is solidly formed in a region between the word lines WL (i) and BL (i + 1) and the bit lines BL (j) and BL (j + 1). In this case, since the processing of the magnetic recording element MTJ can be omitted, the manufacturing process is simplified and the manufacturing cost can be reduced.
図28及び図29の構造においても、磁気記録素子MTJは、複数の磁性粒子の集合体からなり、磁性粒子ごとに磁化方向を決定できるため、ワード線WL(i),BL(i+1)とビット線BL(j),BL(j+1)との交差部の磁化のみを選択的に変えることが可能である。 28 and 29, the magnetic recording element MTJ is composed of an aggregate of a plurality of magnetic particles, and can determine the magnetization direction for each magnetic particle. Therefore, the word lines WL (i), BL (i + 1) and the bit Only the magnetization at the intersections with the lines BL (j) and BL (j + 1) can be selectively changed.
従って、磁気メモリとしての機能は、図27乃至図29の全てのクロスポイントタイプ磁気メモリにおいて同じである。 Therefore, the function as a magnetic memory is the same in all the cross-point type magnetic memories shown in FIGS.
(2) プローブメモリ
プローブメモリは、現在のメモリに比べて記録密度を飛躍的に向上できる可能性を持つ次世代メモリである。
(2) Probe memory
Probe memory is a next-generation memory that has the potential to dramatically improve recording density compared to current memories.
プローブメモリは、記録媒体の上部に、例えば、カンチレバー状のプローブを有し、記録媒体とプローブとの位置関係を制御することでアクセス動作を行う。特に、MEMS(micro electro mechanical systems)技術を使えば、半導体チップ上に、記録媒体とプローブを混載することも可能であり、事実、ミリピード(Millipede)など、具体的なものも提案されている。 The probe memory has, for example, a cantilever-shaped probe above the recording medium, and performs an access operation by controlling the positional relationship between the recording medium and the probe. In particular, if a micro electro mechanical systems (MEMS) technique is used, a recording medium and a probe can be mixedly mounted on a semiconductor chip. In fact, concrete ones such as Millipede have been proposed.
本発明の例における磁気記録素子をこのようなプローブメモリの記録媒体として使用すれば、プローブメモリの実用化に貢献できる。 If the magnetic recording element in the example of the present invention is used as a recording medium for such a probe memory, it can contribute to the practical use of the probe memory.
A. 基本構造
図30は、プローブメモリの基本構造を示している。
A. Basic structure
FIG. 30 shows the basic structure of the probe memory.
絶縁基板51上には、導電層52が形成され、導電層52上には、アレイ状に本発明の例に関わる複数の磁気記録素子MTJが配置される。各々の磁気記録素子MTJは、例えば、磁気固着層53、非磁性バリア層(例えば、トンネルバリア層)54及び磁気記録層55の積層構造を有する。複数の磁気記録素子MTJの間のスペースは、絶縁層56により満たされる。
A
このような磁気記録素子MTJのアレイは、「パターンド(patterned)媒体」と称される。 Such an array of magnetic recording elements MTJ is referred to as a “patterned medium”.
パターンド媒体上には、例えば、カンチレバー状のプローブ57が配置される。プローブ57の形状については、特に、制限されることはなく、針状などであってもよいが、カンチレバー状にする場合には、例えば、MEMS技術により半導体チップ上にプローブを作り込む場合に有利である。
For example, a cantilever-
プローブ57の位置は、位置制御装置58により制御される。例えば、位置制御装置58は、プローブ57を2次元(x,y)又は3次元(x,y,z)で駆動し、これによりアクセス動作を行う。プローブ57は、パターンド媒体の上面に常に接触していてもよいし、常に一定距離だけ離れていてもよい。
The position of the
読み出し/書き込み回路59は、読み出し時に、読み出し電流を磁気記録素子MTJに流し、磁気記録素子MTJに記憶されたデータを読み出す。また、読み出し/書き込み回路59は、書き込み時に、書き込みデータに応じた向きのスピン注入電流を磁気記録素子MTJに流し、磁気記録素子MTJの磁化状態を制御する。
The read /
このようなプローブメモリにおいて、“1”−書き込み時には、位置制御装置58は、アドレス信号に基づいて、パターンド媒体とプローブ57との相対的位置を決定し、読み出し/書き込み回路59は、導電層52からプローブ57に向かう方向にスピン注入電流Isを流す。
In such a probe memory, at the time of “1” -writing, the
この時、磁気記録素子MTJの内部では、電子流は、磁気記録層55から磁気固着層53に向かって流れるため、磁気記録層55の磁化は、磁気固着層53の磁化に対して反平行になる。
At this time, since the electron current flows from the
また、“0”−書き込み時には、位置制御装置58は、アドレス信号に基づいて、パターンド媒体とプローブ57との相対的位置を決定し、読み出し/書き込み回路59は、プローブ57から導電層52に向かう方向にスピン注入電流Isを流す。
Further, at the time of “0” -writing, the
この時、磁気記録素子MTJの内部では、電子流は、磁気固着層53から磁気記録層55に向かって流れるため、磁気記録層55の磁化は、磁気固着層53の磁化に対して平行になる。
At this time, since the electron current flows from the magnetic pinned
読み出し時には、位置制御装置58は、アドレス信号に基づいて、パターンド媒体とプローブ57との相対的位置を決定し、読み出し/書き込み回路59は、磁気記録素子MTJに読み出し電流Irを供給する。
At the time of reading, the
読み出し電流Irの向きについては制約されることはないが、読み出し電流Irの値については、読み出し時におけるディスターブを抑制するため、スピン注入電流Isの値よりも十分に小さくする。具体的には、読み出し電流Irの値は、磁化反転の臨界電流Icよりも小さくする。 The direction of the read current Ir is not limited, but the value of the read current Ir is made sufficiently smaller than the value of the spin injection current Is in order to suppress disturbance during reading. Specifically, the value of the read current Ir is made smaller than the critical current Ic for magnetization reversal.
尚、本例では、磁気記録素子MTJの磁化状態が反平行のときを“1”とし、平行のときを“0”とアサインしたが、その逆であってもよい。 In this example, “1” is assigned when the magnetization state of the magnetic recording element MTJ is antiparallel, and “0” is assigned when it is parallel, but it may be reversed.
読み出しに関しては、MR比を大きくして高信号出力を得るために、非磁性バリア層54をトンネルバリア層(例えば、アルミナや、MgOなどの絶縁材料)とするのが好ましい。
Regarding reading, in order to obtain a high signal output by increasing the MR ratio, it is preferable that the
また、このようなトンネルバリア層に代えて、絶縁材料に設けられた多数のホール内にCuや磁性体などを埋め込んだCPP-CPP-MR材料又はナノコンタクトMR材料を、磁気記録層と磁気固着層との間の非磁性バリア層として採用すれば、読み出しに関しては、さらに好都合である。 Instead of such a tunnel barrier layer, a CPP-CPP-MR material or a nanocontact MR material in which Cu or a magnetic material is embedded in a number of holes provided in an insulating material is magnetically fixed to the magnetic recording layer. If it is employed as a nonmagnetic barrier layer between the layers, it is more convenient for reading.
ここで、図27の例では、パターンド媒体の位置を固定し、位置制御装置58によりプローブ57の位置を制御するシステムになっているが、パターンド媒体とプローブ57との相対的位置の制御が可能であれば、プローブ及び絶縁基板51のどちらを駆動しても構わない。
Here, in the example of FIG. 27, the position of the patterned medium is fixed, and the
例えば、図31に示すように、位置制御装置58A,58Bにより、パターンド媒体とプローブとの相対的位置を制御することもできる。
For example, as shown in FIG. 31, the relative position between the patterned medium and the probe can be controlled by the
また、ハードディスクドライブのように、絶縁基板51を回転させ、プローブ57を直線的に駆動することによりアクセス動作を行ってもよい。
Further, like the hard disk drive, the access operation may be performed by rotating the insulating
図32及び図33は、図30のプローブメモリの変形例である。 32 and 33 are modifications of the probe memory of FIG.
図32のプローブメモリは、磁気固着層53と非磁性バリア層54を全ての磁気記録素子MTJで共有した点に特徴を有する。この場合、磁気固着層53と非磁性バリア層54は、導電層52上にベタに形成され、磁気記録層55のみをパターニングすればよいため、製造プロセスの簡易化と素子特性の向上を実現できる。
The probe memory of FIG. 32 is characterized in that the magnetic pinned
図33のプローブメモリは、パターンド媒体の上面を保護層60により覆った点に特徴を有する。保護層60は、例えば、極薄の絶縁体から構成される。この場合、プローブ57が磁気記録素子MTJに直に接触することがないため、磁気記録素子MTJの信頼性と読み出し/書き込み回数の向上を実現できる。
The probe memory of FIG. 33 is characterized in that the upper surface of the patterned medium is covered with a
尚、保護層60の代わりに、プローブ57を磁気記録素子MTJから一定距離だけ離し、プローブ57と磁気記録素子MTJとの間にスペースを設けてもよい。また、保護層60を設けると共に、プローブ57を保護層60から一定距離だけ離すようにしてもよい。
Instead of the
B. マルチプローブ構造
高記録密度化に適したマルチプローブ構造のプローブメモリの例について説明する。
B. Multi-probe structure
An example of a probe memory having a multi-probe structure suitable for increasing the recording density will be described.
図34は、本発明の例に関わるプローブメモリの回路構造を示している。 FIG. 34 shows a circuit structure of the probe memory according to the example of the present invention.
ブロックBK11,・・・BKijは、マトリックス状に配置される。ブロックBK11,・・・BKijは、それぞれ、物理的に分離されていてもよいし、一体化されていてもよい。ブロックBK11,・・・BKijの各々は、例えば、図29に示すように、複数の磁気記録素子からなるパターンド媒体から構成される。 Blocks BK11,... BKij are arranged in a matrix. Each of the blocks BK11,... BKij may be physically separated or integrated. Each of the blocks BK11,... BKij is composed of a patterned medium composed of a plurality of magnetic recording elements, for example, as shown in FIG.
ブロックBK11,・・・BKijが、全体として32個×32個のマトリックス状に配置され、ブロックBK11,・・・BKijの各々が、32個×32個の磁気記録素子から構成される場合、1つのブロックの記憶容量としては、1キロビット、プローブメモリとしては、1メガビットの記憶容量となる。 When the blocks BK11,... BKij are arranged in a matrix of 32.times.32 as a whole, and each of the blocks BK11,... BKij is composed of 32.times.32 magnetic recording elements, 1 The storage capacity of one block is 1 kilobit, and the probe memory is 1 megabit.
プローブ57は、ブロックBK11,・・・BKijと同様にマトリックス状に配置され、プローブ57とブロックBKijとが一対一に対応する。
The
プローブ57は、MOSトランジスタTRを経由して、ビット線BLu(1),・・・BLu(j)に接続される。
The
MOSトランジスタTRのゲートは、ワード線WL(1),・・・WL(i)に接続される。ワード線WL(1),・・・WL(i)は、x方向に延び、その一端は、ロウ選択スイッチとしてのMOSトランジスタRSWを経由して、ワード線ドライバ32に接続される。
The gate of MOS transistor TR is connected to word lines WL (1),... WL (i). Word lines WL (1),... WL (i) extend in the x direction, and one end thereof is connected to the
MOSトランジスタRSWのゲートには、読み出し/書き込み時に、ブロックBK11,・・・BKijの1つを選択するためのロウ選択信号RSL(1),・・・RSL(i)が入力される。 The row selection signals RSL (1),... RSL (i) for selecting one of the blocks BK11,... BKij are input to the gate of the MOS transistor RSW at the time of reading / writing.
ワード線ドライバ32は、選択された1つのロウ内のワード線をドライブする。例えば、ワード線WL(1)が選択される場合、ワード線WL(1)の電位を“H”にし、ワード線WL(1)に接続されるMOSトランジスタTRをオンにする。
The
ビット線BLu(1),・・・BLu(j)は、y方向に延び、その一端は、カラム選択スイッチとしてのMOSトランジスタCSWuを経由して、ビット線ドライバ/シンカー33に接続される。
The bit lines BLu (1),... BLu (j) extend in the y direction, and one end thereof is connected to the bit line driver /
MOSトランジスタCSWuのゲートには、読み出し/書き込み時に、ブロックBK11,・・・BKijの1つを選択するためのカラム選択信号CSLu(1),・・・CSLu(j)が入力される。 Column selection signals CSLu (1),... CSLu (j) for selecting one of the blocks BK11,... BKij are input to the gate of the MOS transistor CSWu at the time of reading / writing.
ブロックBK11,・・・BKijの一端(図25の導電層52に相当)は、ビット線BLd(1),・・・BLd(j)に接続される。
One end of the block BK11,... BKij (corresponding to the
ビット線BLd(1),・・・BLd(j)は、y方向に延び、その一端は、カラム選択スイッチとしてのMOSトランジスタCSWdを経由して、ビット線ドライバ/シンカー34に接続される。
The bit lines BLd (1),... BLd (j) extend in the y direction, and one end thereof is connected to the bit line driver /
MOSトランジスタCSWdのゲートには、書き込み時に、ブロックBK11,・・・BKijの1つを選択するためのカラム選択信号CSLd(1),・・・CSLd(j)が入力される。 Column selection signals CSLd (1),... CSLd (j) for selecting one of the blocks BK11,... BKij are input to the gate of the MOS transistor CSWd at the time of writing.
また、ビット線BLd(1),・・・BLd(j)の一端は、カラム選択スイッチとしてのMOSトランジスタCSWrを経由して、共通読み出し線RLに接続され、共通読み出し線RLは、センスアンプS/Aに接続される。 In addition, one end of each of the bit lines BLd (1),... BLd (j) is connected to the common read line RL via the MOS transistor CSWr as a column selection switch, and the common read line RL is connected to the sense amplifier S. / A.
MOSトランジスタCSWrのゲートには、読み出し時に、ブロックBK11,・・・BKijの1つを選択するためのカラム選択信号CSLr(1),・・・CSLr(j)が入力される。 The column selection signals CSLr (1),... CSLr (j) for selecting one of the blocks BK11,... BKij are input to the gate of the MOS transistor CSWr at the time of reading.
センスアンプS/Aは、参照電位Vrefに基づいて、選択されたブロックBKij内の選択された磁気記録素子のデータ値を判定し、これを出力信号DATAとして出力する。 The sense amplifier S / A determines the data value of the selected magnetic recording element in the selected block BKij based on the reference potential Vref, and outputs this as the output signal DATA.
ここで、ビット線ドライバ/シンカー33,34は、選択された1つのブロックBKij内の選択された磁気記録素子にスピン注入電流Isを流すために設けられる。
Here, the bit line drivers /
磁気記録素子の磁化状態が反平行のときを“1”とし、平行のときを“0”とアサインする。 “1” is assigned when the magnetization state of the magnetic recording element is antiparallel, and “0” is assigned when it is parallel.
ブロックBK11内の磁気記録素子に“1”を書き込む場合、ロウ選択信号RSL(1)を“H”にし、ワード線WL(1)を“H”にして、ブロックBK11に対応するMOSトランジスタTRをオンにする。 When “1” is written to the magnetic recording element in the block BK11, the row selection signal RSL (1) is set to “H”, the word line WL (1) is set to “H”, and the MOS transistor TR corresponding to the block BK11 is set. turn on.
また、カラム選択信号CSLu(1),CSLd(1)を“H”にし、ビット線ドライバ/シンカー33から、ブロックBK11内の磁気記録素子を経由して、ビット線ドライバ/シンカー34に向かうスピン注入電流Isを流す。この時、ブロックBK11内の磁気記録素子の磁化状態は反平行となり、“1”が書き込まれる。
Further, the column selection signals CSLu (1) and CSLd (1) are set to “H”, and spin injection from the bit line driver /
ブロックBK11内の磁気記録素子に“0”を書き込む場合、ロウ選択信号RSL(1)を“H”にし、ワード線WL(1)を“H”にして、ブロックBK11に対応するMOSトランジスタTRをオンにする。 When “0” is written to the magnetic recording element in the block BK11, the row selection signal RSL (1) is set to “H”, the word line WL (1) is set to “H”, and the MOS transistor TR corresponding to the block BK11 is set. turn on.
また、カラム選択信号CSLu(1),CSLd(1)を“H”にし、ビット線ドライバ/シンカー34から、ブロックBK11内の磁気記録素子を経由して、ビット線ドライバ/シンカー33に向かうスピン注入電流Isを流す。この時、ブロックBK11内の磁気記録素子の磁化状態は平行となり、“0”が書き込まれる。
Further, the column selection signals CSLu (1) and CSLd (1) are set to “H”, and spin injection from the bit line driver /
読み出しに関しては、例えば、センスアンプS/Aとビット線ドライバ/シンカー33を用いて実行する。
The read is performed using, for example, the sense amplifier S / A and the bit line driver /
例えば、ブロックBK11内の磁気記録素子のデータを読み出す場合、ロウ選択信号RSL(1)を“H”にし、ワード線WL(1)を“H”にして、ブロックBK11に対応するMOSトランジスタTRをオンにする。 For example, when reading the data of the magnetic recording element in the block BK11, the row selection signal RSL (1) is set to “H”, the word line WL (1) is set to “H”, and the MOS transistor TR corresponding to the block BK11 is set. turn on.
また、カラム選択信号CSLu(1)を“H”にし、ビット線BLu(1)をビット線ドライバ/シンカー33に電気的に接続し、カラム選択信号CSLr(1)を“H”にし、ビット線BLd(1)をセンスアンプS/Aに電気的に接続する。
Further, the column selection signal CSLu (1) is set to “H”, the bit line BLu (1) is electrically connected to the bit line driver /
ビット線ドライバ/シンカー33は、例えば、ビット線BLu(1)の一端を接地点に接続し、センスアンプS/Aは、ブロックBK11内の磁気記録素子に読み出し電流を供給する。センスアンプS/Aは、読み出し電流が磁気記録素子に流れるときの抵抗値を検出し、それに記憶されたデータ値を判定する。
For example, the bit line driver /
図35は、マルチプローブ構造のプローブメモリのデバイス構造の一例を示している。 FIG. 35 shows an example of a device structure of a probe memory having a multi-probe structure.
このプローブメモリでは、半導体チップ61の中央部に記録媒体としてのパターンド媒体がベタに形成され、かつ、パターンド媒体が複数のブロックBKに区分けされている。複数のブロックBK上には、複数のブロックBKに対応して複数のプローブ57が配置される。
In this probe memory, a patterned medium as a recording medium is formed in the center of the
半導体チップ61の周辺部には、例えば、図30の位置制御装置58が形成されるサーボ領域62と、図30の読み出し/書き込み回路59が形成される周辺回路領域63とが設けられる。
In the peripheral portion of the
このデバイス構造の特徴は、半導体チップ61上に、図30に示す全てのシステムを搭載した点にある。このような半導体デバイスは、MEMS技術を使うことにより可能となる。
This device structure is characterized in that all systems shown in FIG. 30 are mounted on the
(3) スピンFET
本発明の例に関わる磁気記録素子は、スピンFETに適用可能である。
(3) Spin FET
The magnetic recording element according to the example of the present invention can be applied to a spin FET.
スピンFETは、それ自体を磁気メモリのメモリセルとして使用できると共に、リコンフィギャブル(re-configurable)なロジック回路の構成要素として注目されている。 The spin FET can be used as a memory cell of a magnetic memory, and has attracted attention as a component of a re-configurable logic circuit.
図36は、スピンFETのデバイス構造の一例を示している。 FIG. 36 shows an example of the device structure of the spin FET.
本例は、スピン注入書き込み方式によりデータ書き込みを実行するトンネルバリアタイプスピンFETに関する。 This example relates to a tunnel barrier type spin FET that performs data writing by a spin injection writing method.
半導体基板70内には、強磁性層から構成されるソース/ドレイン領域が形成される。ソース/ドレイン領域の一つは、磁化方向が変化する磁気記録層11であり、他の一つは、磁気固着層12である。磁気固着層12の磁化は、反強磁性層18により固着される。
A source / drain region composed of a ferromagnetic layer is formed in the
半導体基板70と磁気記録層11との間及び半導体基板70と磁気固着層12との間には、非磁性バリア層(トンネルバリア層)13Aが形成される。また、磁気記録層11と磁気固着層12との間のチャネル領域上には、ゲート絶縁層71を介してゲート電極72が形成される。
A nonmagnetic barrier layer (tunnel barrier layer) 13A is formed between the
反強磁性層18上及び磁気記録層11上には、それぞれソース/ドレイン電極73,74が形成される。
Source /
ソース/ドレイン電極73は、スピン注入電流を発生させるためのドライバ/シンカー、即ち、PチャネルMOSトランジスタP1及びNチャネルMOSトランジスタN1に接続される。
The source /
同様に、ソース/ドレイン電極74は、スピン注入電流を発生させるためのドライバ/シンカー、即ち、PチャネルMOSトランジスタP2及びNチャネルMOSトランジスタN2に接続される。
Similarly, the source /
このような構造のスピンFETにおいて、データ書き込みは、ゲート電極72に書き込みゲート電圧Wを与え、ソース/ドレイン領域としての磁気記録層11にスピン注入電流を流すことにより行う。
In the spin FET having such a structure, data writing is performed by applying a write gate voltage W to the
書き込みデータの値は、スピン注入電流の向きにより決定され、スピン注入電流の向きは、制御信号A,B,C,DによるPチャネルMOSトランジスタP1,P2及びNチャネルMOSトランジスタN1,N2のオン/オフにより制御される。 The value of the write data is determined by the direction of the spin injection current, and the direction of the spin injection current is determined by turning on / off the P-channel MOS transistors P1, P2 and the N-channel MOS transistors N1, N2 according to the control signals A, B, C, D. Controlled by turning off.
例えば、ソース/ドレイン領域11,12の磁化状態を反平行にするときは、スピン注入電流をPチャネルMOSトランジスタP1からNチャネルMOSトランジスタN2に向かって流す。この時、電子流は、磁気記録層11から磁気固着層12に向かって流れるため、磁気記録層11の磁化方向は、磁気固着層12の磁化方向とは反対向きになる。
For example, when the magnetization states of the source /
また、ソース/ドレイン領域11,12の磁化状態を平行にするときは、スピン注入電流をPチャネルMOSトランジスタP2からNチャネルMOSトランジスタN1に向かって流す。この時、電子流は、磁気固着層12から磁気記録層11に向かって流れるため、磁気記録層11の磁化方向は、磁気固着層12の磁化方向と同じ向きになる。
When the magnetization states of the source /
尚、本例では、トンネルバリアタイプスピンFETについて説明したが、スピンFETは、トンネルバリア層13Aを有しないショットキーバリアタイプであっても構わない。
In this example, the tunnel barrier type spin FET has been described. However, the spin FET may be a Schottky barrier type without the
(4) その他
以上、3つの適用例について説明したが、本発明の例は、これら以外のスピンエレクトロニクスデバイスにも適用可能である。
(4) Other
Although three application examples have been described above, the example of the present invention can be applied to other spin electronics devices.
6. まとめ
本発明の例によれば、電流直接駆動による磁化反転技術において、熱揺らぎ耐性及びMR特性の劣化なく、反転電流密度Jcを低減できる、これにより、平面サイズ(最大幅)が20nm以下の低消費電力で発熱によるダメージが少ない高信頼性の磁気記録素子を実現でき、これを様々なスピンエレクトロニクスデバイスに適用することが可能になる。
6). Summary
According to the example of the present invention, in the magnetization reversal technology by direct current drive, the reversal current density Jc can be reduced without deterioration of thermal fluctuation and MR characteristics, thereby reducing the plane size (maximum width) of 20 nm or less. A highly reliable magnetic recording element that is less damaged by heat generated by electric power can be realized, and can be applied to various spin electronics devices.
本発明の例は、磁気記録素子の高機能化、磁気メモリ(ストレージデバイス)の高密度化、低消費電力化などの効果に関しては絶大であり、電流直接駆動による磁化反転技術の実用化を促進するもので、産業上のメリットは多大である。 The examples of the present invention are tremendous in terms of effects such as higher functionality of magnetic recording elements, higher density of magnetic memory (storage device), lower power consumption, etc., promoting the practical application of magnetization reversal technology by direct current drive The industrial merit is great.
本発明の例は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、各構成要素を変形して具体化できる。また、上述の実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を構成できる。例えば、上述の実施の形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよいし、異なる実施の形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。 The example of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be embodied by modifying each component without departing from the scope of the invention. Various inventions can be configured by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the above-described embodiments. For example, some constituent elements may be deleted from all the constituent elements disclosed in the above-described embodiments, or constituent elements of different embodiments may be appropriately combined.
11,55: 磁気記録層、 12,53: 磁気固着層、 13,13A,54: 非磁性バリア層、 14: 挿入層、 15,15A,15B: キャップ層、 16: 非磁性材料、 17: 酸素を含む層、 18: 反強磁性層、 21: 下部電極、 22: 上部電極、 31: メモリセルアレイ、 32: ワード線ドライバ、 33,34: ビット線ドライバ/シンカー、 41,70: 半導体基板、 51: 絶縁基板、 52: 導電層、 56: 絶縁層、 57: プローブ、 58,58A,58B: 位置制御装置、 59: 読み出し/書き込み回路、 60: 保護層、 61: 半導体チップ、 62: サーボ領域、 63: 周辺回路領域、 71: ゲート絶縁層、 72: ゲート電極、 73,74: ソース/ドレイン電極、 101: 磁性微粒子、 102: 非磁性導電層、 103: 磁気固着層。
11, 55: Magnetic recording layer, 12, 53: Magnetic pinned layer, 13, 13A, 54: Nonmagnetic barrier layer, 14: Insertion layer, 15, 15A, 15B: Cap layer, 16: Nonmagnetic material, 17: Oxygen 18: antiferromagnetic layer, 21: lower electrode, 22: upper electrode, 31: memory cell array, 32: word line driver, 33, 34: bit line driver / sinker, 41, 70: semiconductor substrate, 51 : Insulating substrate, 52: Conductive layer, 56: Insulating layer, 57: Probe, 58, 58A, 58B: Position controller, 59: Read / write circuit, 60: Protective layer, 61: Semiconductor chip, 62: Servo area, 63: Peripheral circuit region 71: Gate insulating layer 72:
Claims (12)
前記磁気記録層は、飽和磁化Ms(emu/cc)と異方性磁界Han(Oe)との関係が、Han>12.57Ms、かつ、Han<1.2E7Ms-1+12.57Msを満たし、その厚さは、5nm以下であり、
前記挿入層は、CoFeB、FeB、CoNbZr、FeAlSi、CoTaZr、及び、FeTaCのうちの1つを含む
磁気記録素子。 A magnetic recording layer in which the magnetization is variable and the easy axis direction is perpendicular to the film surface, and a magnetic pinned layer in which the magnetization is fixed in a direction perpendicular to the film surface; A nonmagnetic barrier layer between the magnetic recording layer and the magnetic pinned layer, and an insertion layer between the magnetic recording layer and the nonmagnetic barrier layer,
In the magnetic recording layer, the relationship between the saturation magnetization Ms (emu / cc) and the anisotropic magnetic field Han (Oe) satisfies Han> 12.57 Ms and Han <1.2E7Ms −1 +12.57 Ms, and the thickness thereof Is 5 nm or less,
The magnetic recording element, wherein the insertion layer includes one of CoFeB, FeB, CoNbZr, FeAlSi, CoTaZr, and FeTaC.
前記磁気記録層は、飽和磁化Ms(emu/cc)と異方性磁界Han(Oe)との関係が、Han>12.57Ms、かつ、Han<1.2E7Ms -1 +12.57Msを満たし、その厚さは、5nm以下であり、
前記挿入層は、Co2MnSiを含む
磁気記録素子。 A magnetic recording layer in which the magnetization is variable and the easy axis direction is perpendicular to the film surface, and a magnetic pinned layer in which the magnetization is fixed in a direction perpendicular to the film surface; A nonmagnetic barrier layer between the magnetic recording layer and the magnetic pinned layer, and an insertion layer between the magnetic recording layer and the nonmagnetic barrier layer,
In the magnetic recording layer, the relationship between the saturation magnetization Ms (emu / cc) and the anisotropic magnetic field Han (Oe) satisfies Han> 12.57 Ms and Han <1.2E7Ms −1 +12.57 Ms, and the thickness thereof Is 5 nm or less,
The magnetic recording element, wherein the insertion layer includes Co 2 MnSi.
前記磁気記録素子の上部に配置されるキャップ層とを具備し、
前記キャップ層は、Ta、Al、Mg、又は、Feの酸化物を含む
磁気メモリ。 The magnetic recording element according to claim 1 or 2 ,
A cap layer disposed on the magnetic recording element;
The magnetic layer according to claim 1, wherein the cap layer includes an oxide of Ta, Al, Mg, or Fe.
前記磁気記録素子の上部に配置されるキャップ層とを具備し、
前記キャップ層は、Ru、Cu、Ag、Au、及び、Taのうちの1つを含む
磁気メモリ。 The magnetic recording element according to claim 1 or 2 ,
A cap layer disposed on the magnetic recording element;
The cap layer includes one of Ru, Cu, Ag, Au, and Ta.
前記磁気記録素子の上部に配置されるキャップ層とを具備し、
前記キャップ層は、非磁性金属と、Ta、Al、Mg、又は、Feの酸化物との積層構造を含み、前記非磁性金属は、Cu、Ag、及び、Auのグループから選択される
磁気メモリ。 The magnetic recording element according to claim 1 or 2 ,
A cap layer disposed on the magnetic recording element;
The cap layer includes a laminated structure of a nonmagnetic metal and an oxide of Ta, Al, Mg, or Fe, and the nonmagnetic metal is selected from the group of Cu, Ag, and Au. .
前記磁気記録素子の下部に配置される下部電極と、
前記磁気記録素子の上部に配置される上部電極と、
前記下部電極及び前記上部電極を介して、前記磁気記録素子に前記電流を流すための電流源と、
前記電流を前記磁気記録素子に導く電流経路と
を具備する磁気メモリ。 The magnetic recording element according to claim 1 or 2 ,
A lower electrode disposed under the magnetic recording element;
An upper electrode disposed on the magnetic recording element;
A current source for passing the current through the magnetic recording element via the lower electrode and the upper electrode;
And a current path for guiding the current to the magnetic recording element.
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