JPWO2009104427A1 - 磁気ランダムアクセスメモリ - Google Patents
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Abstract
Description
1−1.構成
図1Aは、本発明の実施の形態に係る第1磁気抵抗素子1の構造を示す斜視図である。図1B及び図1Cのそれぞれは、図1Aで示された構造のx−y平面図及びx−z側面図である。尚、第1磁気抵抗素子1は複数の層からなる積層構造を有しており、その積層方向がz軸方向として規定される。積層構造の各層に平行な平面がx−y平面である。
次に、本実施の形態に係る第1磁気抵抗素子1の原理を詳細に説明する。図2A及び図2Bには、第1磁化自由層30の磁化によって周辺に発生する漏れ磁界(漏れ磁束)が模式的に示されている。図2Aはx−z面内における状態を示し、図2Bはx−y面内における状態を示している。
図3A及び図3Bは、第1磁気抵抗素子1へのデータ書き込み方法を説明するための概念図である。データ書き込みは、「スピン注入磁化反転方式」により実現される。具体的には、第1磁化固定層10、第1スペーサー層20及び第1磁化自由層30が利用され、第1磁化固定層10と第1磁化自由層30との間に書き込み電流Iwriteが流される。
垂直磁化膜である第1磁化固定層10及び第1磁化自由層30は、Fe、Co、Niのうちから選択される少なくとも一つの材料を含む強磁性体で形成される。また、PtやPdを添加することにより、垂直磁気異方性を安定化することができる。これに加えて、B、C、N、O、Al、Si、P、Ti、V、Cr、Mn、Cu、Zn、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Ag、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Au、Smなどを添加することにより、磁気特性を調整することができる。具体的な材料としては、Co、Co−Pt、Co−Pd、Co−Cr、Co−Pt−Cr、Co−Cr−Ta、Co−Cr−B、Co−Cr−Pt−B、Co−Cr−Ta−B、Co−V、Co−Mo、Co−W、Co−Ti、Co−Ru、Co−Rh、Fe−Pt、Fe−Pd、Fe−Co−Pt、Fe−Co−Pd、Sm−Co、Gd−Fe−Co、Tb−Fe−Co、Gd−Tb−Fe−Coなどが例示される。そのほか、Fe、Co、Niのうちから選択されるいずれか一つの材料を含む層を、異なる層と積層させることにより垂直磁気異方性を発現させることもできる。具体的には、Co/Pd、Co/Pt、Co/Ni、Fe/Auなどの積層膜が例示される。
本実施の形態によれば、スピン注入磁化反転方式のMRAMにおいて、書き込み特性及び記録データ保持特性と読み出し特性とを独立に向上させることができる。これは、本実施の形態に係る第1磁気抵抗素子1において、書き込み及び記録データの保持を担う部分と、読み出しを担う部分が異なることに起因する。特許文献1で述べられているように、諸定数が適切に設定された垂直磁化膜を用いることにより、5MA/cm2以下の書き込み閾値電流密度でスピン注入磁化反転を行うことができる。一方、非特許文献1で述べられているように、ある積層構成からなるMTJを用いることにより、500%に近いMR比を得ることができる。本実施の形態によれば、データ書き込み/保持を司る第1磁化固定層10及び第1磁化自由層30を垂直磁化膜で形成することにより、書き込み閾値電流密度を低減することが可能となる。且つ、データ読み出しを司る第2磁化自由層40及び第2磁化固定層60を面内磁化膜で形成することにより、MR比を高めて読み出し信号を増大させることが可能となる。
第1の変形例は、第1磁化自由層30と第2磁化自由層40のx−y平面内の位置関係に関する。第1磁化自由層30と第2磁化自由層40の位置関係は既出の例に限られない。x−y平面において、第2磁化自由層40の重心G40は、第1磁化自由層30の重心G30に対して“第1の方向”に位置していればよい。
第2の変形例は、第1磁気抵抗素子1を構成する各層のz軸方向(積層方向)の位置関係に関する。上述の通り、第1磁化固定層10、第1スペーサー層20及び第1磁化自由層30は、「書き込み層群」を構成しており、第2磁化自由層40、第2スペーサー層50及び第2磁化固定層60は、「読み出し層群」を構成している。また、第1導電層70及び第2導電層80は、書き込み層群及び読み出し層群に電流を導入する「プラグ群」を構成している。これら書き込み層群、読み出し層群、及びプラグ群の位置関係は、既出の例で示されたものに限られない。書き込み層群の第1磁化自由層30と読み出し層群の第2磁化自由層40が、異なる層に形成され、互いに磁気的に結合していればよい。
第3の変形例において、第1磁気抵抗素子1は、複数の書き込み層群を備える。そして、複数の書き込み層群の各々が、上述の第1磁化固定層10、第1スペーサー層20、及び第1磁化自由層30を有する。
第4の変形例では、第2導電層80が省略される。図12Aは、第1磁気抵抗素子1の一例を示す斜視図である。図12B及び図12Cのそれぞれは、図12Aで示された構造のx−y平面図及びx−z側面図である。図12A〜図12Cに示されるように、第2導電層80は省略され、第1磁気抵抗素子1は2端子の素子となる。この場合でも、第1磁化自由層30と第2磁化自由層40は磁気的に結合しており、また、第2磁化自由層40の重心G40は、第1磁化自由層30の重心G30からずれている。従って、第1磁化自由層30の磁化方向に応じて、第2磁化自由層40の磁化方向は一意に定まる。
図14は、典型的なMRAMの構成を概略的に示している。MRAMのメモリセルアレイは、マトリックス状に配置された複数のセルを有している。より詳細には、セルには、データ記録用のメモリセルMCと、データ読み出し時にリファレンスレベルを生成するために参照されるリファレンスセルRC0、RC1が含まれる。メモリセルMC、リファレンスセルRC0及びRC1は、同一の構造の磁気抵抗素子を有している。
そこで、本実施の形態によれば、リファレンスセル用に、第1磁気抵抗素子1とは異なる「第2磁気抵抗素子100」が提案される。以下に詳述されるように、第2磁気抵抗素子100の抵抗値は、上記R0とR1の間の中間値(以下、「R0.5」と参照される;図18参照)に固定されている。つまり、第2磁気抵抗素子100は、その抵抗値が単独でR0.5となるようにあらかじめ形成される。そのような第2磁気抵抗素子100をリファレンスセルに適用することによって、リファレンスレベルのばらつきが防止される。
図19Aは、本実施の形態に係る第2磁気抵抗素子100の一例を示す斜視図である。図19Bは、図19Aで示された第2磁気抵抗素子100の磁化状態を示す平面図である。本例に係る第2磁気抵抗素子100は、既出の図15で示された第1磁気抵抗素子1から書き込み層群(10〜30)が省略されたものと同様の構造を有している。
図20Aは、第2磁気抵抗素子100の他の例を示す斜視図である。図20Bは、図20Aで示された構造のx−y平面図である。本例に係る第2磁気抵抗素子100は、図19A及び図19Bで示された構造に加えて、第1磁気抵抗素子1の書き込み層群(10〜30)に相当する構造を備えている。但し、第1磁気抵抗素子1では重心が故意にずらされていたが、本例の第2磁気抵抗素子100では重心が一致している。図19A及び図19Bで示された構成と同じ構成には同一の符号が付され、重複する説明は適宜省略される。
図21Aは、第2磁気抵抗素子100の更に他の例を示す斜視図である。図21Bは、図21Aで示された構造のx−y平面図である。本例に係る第2磁気抵抗素子100は、図20A及び図20Bで示された構成要素と同様のものを有する。但し、重心の位置関係が異なっている。図20A及び図20Bで示された構成と同じ構成には同一の符号が付され、重複する説明は適宜省略される。
図23は、本発明の実施の形態に係るMRAMの構成を概略的に示している。MRAMのメモリセルアレイは、マトリックス状に配置された複数のセルを有している。より詳細には、セルには、データ記録用のメモリセルMCと、データ読み出し時にリファレンスレベルを生成するために参照されるリファレンスセルRCが含まれる。本発明によれば、メモリセルMCには第1磁気抵抗素子1が適用される。一方、リファレンスセルRCには、第2磁気抵抗素子100が適用される。
Claims (14)
- 第1磁気抵抗素子を含むメモリセルと、
第2磁気抵抗素子を含み、前記メモリセルからのデータ読み出し時にリファレンスレベルを生成するために参照されるリファレンスセルと
を具備し、
前記第1磁気抵抗素子は、
磁化方向が固定された第1磁化固定層と、
磁化方向が可変な第1磁化自由層と、
前記第1磁化固定層と前記第1磁化自由層とに挟まれた第1非磁性層と、
磁化方向が固定された第2磁化固定層と、
磁化方向が可変な第2磁化自由層と、
前記第2磁化固定層と前記第2磁化自由層とに挟まれた第2非磁性層と
を備え、
前記第1磁化固定層と前記第1磁化自由層は、垂直磁気異方性を有し、
前記第2磁化固定層と前記第2磁化自由層は、面内磁気異方性を有し、
前記第1磁化自由層と前記第2磁化自由層は、互いに磁気的に結合しており、
各層に平行な第1平面において、前記第2磁化自由層の重心は、前記第1磁化自由層の重心から第1方向にずれており、
前記第2磁気抵抗素子は、
磁化容易軸が第2方向に平行な第3磁化自由層と、
磁化方向が前記第2方向と直交する第3方向に固定された第3磁化固定層と、
前記第3磁化固定層と前記第3磁化自由層とに挟まれた第3非磁性層と
を備え、
前記第3磁化固定層と前記第3磁化自由層は、面内磁気異方性を有する
磁気ランダムアクセスメモリ。 - 請求の範囲1に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記第2磁化自由層の磁化容易軸は前記第1方向と直交しており、
前記第2磁化固定層の磁化方向は前記第1方向と平行あるいは反平行である
磁気ランダムアクセスメモリ。 - 請求の範囲1又は2に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記第3磁化自由層の平面形状の長軸方向は前記第2方向である
磁気ランダムアクセスメモリ。 - 請求の範囲1乃至3のいずれか一項に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記第2磁化固定層と前記第3磁化固定層は同じ層に形成され、
前記第2磁化自由層と前記第3磁化自由層は同じ層に形成され、
前記第2非磁性層と前記第3非磁性層は同じ層に形成された
磁気ランダムアクセスメモリ。 - 請求の範囲1乃至4のいずれか一項に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記第2磁気抵抗素子は、
磁化方向が固定された第4磁化固定層と、
磁化方向が可変な第4磁化自由層と、
前記第4磁化固定層と前記第4磁化自由層とに挟まれた第4非磁性層と
を更に備え、
前記第4磁化固定層と前記第4磁化自由層は、垂直磁気異方性を有し、
前記第3磁化自由層と前記第4磁化自由層は、互いに磁気的に結合しており、
前記第3磁化自由層の磁化方向は前記第2方向と平行である
磁気ランダムアクセスメモリ。 - 請求の範囲5に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記第1平面において、前記第3磁化自由層の重心は、前記第4磁化自由層の重心と一致している
磁気ランダムアクセスメモリ。 - 請求の範囲5に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記第1平面において、前記第3磁化自由層の重心は、前記第4磁化自由層の重心から前記第2方向にずれている
磁気ランダムアクセスメモリ。 - 請求の範囲5乃至7のいずれか一項に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記第2磁化固定層と前記第3磁化固定層は同じ層に形成され、
前記第2磁化自由層と前記第3磁化自由層は同じ層に形成され、
前記第2非磁性層と前記第3非磁性層は同じ層に形成され、
前記第1磁化固定層と前記第4磁化固定層は同じ層に形成され、
前記第1磁化自由層と前記第4磁化自由層は同じ層に形成され、
前記第1非磁性層と前記第4非磁性層は同じ層に形成された
磁気ランダムアクセスメモリ。 - 請求の範囲1乃至8のいずれか一項に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記メモリセルへのデータ書き込み時、前記第1磁化自由層と前記第1磁化固定層との間に書き込み電流が流れ、
前記メモリセルからのデータ読み出し時、前記第2磁化自由層と前記第2磁化固定層との間に読み出し電流が流れる
磁気ランダムアクセスメモリ。 - 請求の範囲9に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記書き込み電流は更に、前記第2磁化自由層と前記第2磁化固定層との間にも流れる
磁気ランダムアクセスメモリ。 - 請求の範囲1乃至9のいずれか一項に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記第1磁気抵抗素子は、複数の書き込み層群を備え、
前記複数の書き込み層群の各々が、前記第1磁化固定層、前記第1磁化自由層、及び前記第1非磁性層を有する
磁気ランダムアクセスメモリ。 - 請求の範囲11に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記複数の書き込み層群は、第1書き込み層群と第2書き込み層群を含み、
前記第1平面において、前記第2磁化自由層の重心は、前記第1書き込み層群の前記第1磁化自由層の重心と前記第2書き込み層群の前記第1磁化自由層の重心との間に位置する
磁気ランダムアクセスメモリ。 - 請求の範囲12に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記第1書き込み層群の前記第1磁化自由層の磁化方向は、前記第2書き込み層群の前記第1磁化自由層の磁化方向と反平行であり、
前記第1書き込み層群の前記第1磁化固定層の磁化方向は、前記第2書き込み層群の前記第1磁化固定層の磁化方向と平行である
磁気ランダムアクセスメモリ。 - 請求の範囲13に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
データ書き込み時、前記第1書き込み層群と前記第2書き込み層群の各々において、前記第1磁化自由層と前記第1磁化固定層との間に書き込み電流が流され、
前記第1書き込み層群を流れる前記書き込み電流の方向は、前記第2書き込み層群を流れる前記書き込み電流の方向の逆である
磁気ランダムアクセスメモリ。
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