JPWO2010137679A1 - 磁気抵抗効果素子及びそれを用いたランダムアクセスメモリ - Google Patents
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Abstract
Description
図2に、実施例1におけるMTJ素子の断面模式図を示す。バリア層10の下側に、垂直磁化を示す第1の磁性層21と第1の非磁性層31、及び電子スピンの分極率が高い第1の高分極率磁性層41による積層フェリ構造51を形成する。同様にバリア層10の上側に、垂直磁化を示す第2の磁性層22と第2の非磁性層32、及び第2の高分極率磁性層42による積層フェリ構造52を形成する。なお、図2に示すように、積層フェリ構造51において、第1の磁性層21と第1の高分極率磁性層41は第1の非磁性層31を介して反強磁性結合しており、それぞれの磁化61,62の方向は反平行になる。積層フェリ構造52についても同様である。
実施例2は、バリア層上側の積層薄膜を強磁性結合(積層フェロ)させた垂直磁化MTJ素子を提案するものである。素子の構造・各層の材料と膜厚は、第2の非磁性層32の厚さを除き、図2に示した実施例1と同じである。実施例2では、バリア層10上側の積層フェロ構成52にある第2の非磁性層32の膜厚が実施例1と異なり、0.4nmとなる。積層構成における2つの磁性層の磁気結合状態は、間に挿入する非磁性層の膜厚に依存する。実施例2では、第2の非磁性層32を介して第2の磁性層22と第2の高分極率磁性層42が強磁性結合する。なお、素子の作製方法も実施例1と同様である。
実施例3は、バリア層の下側に記録層、上側に固定層を配置する垂直磁化のMTJ素子を提案するものである。素子の基本構成及び各層の材料は図2に示した実施例1と同様である。ただし実施例3では、第1の磁性層21と第2の磁性層22の膜厚が実施例1と異なり、図2に示した第1の磁性層21を3nm、第2の磁性層22を10nmとした。また、素子の作製方法も実施例1と同様である。本発明のMTJ素子では、第1の磁性層21と、第2の磁性層22の膜厚を制御することで、固定層と自由層を変更できる。実施例3では、バリア層10の下側の磁性層21の方が上側の磁性層22よりも膜厚が薄いため、素子に電流を流した場合、下側の磁性層21及び第1の高分極率磁性層41の磁化が先に反転する。つまり、バリア層10の下側が記録層、上側が固定層としてはたらく。この構成でも実施例1と同様の効果を得ることが可能である。
実施例4は、磁性層/非磁性層/高分極率磁性層の積層フェリ構成をバリア層の片側のみに適用した垂直磁化MTJ素子を提案するものである。図5に、実施例4におけるMTJ素子の断面模式図を示す。バリア層10下側に、垂直磁化を示す第1の磁性層21と第1の非磁性層31、及び電子スピンの分極率が高い第1の高分極率磁性層41による積層フェリ構造51を形成する。バリア層10の上側には第2の高分極率磁性層42を配し、その上に非磁性層を介さず直接、垂直磁化を示す第2の磁性層22を形成する。なお、図5に示すように、積層フェリ構造51において、第1の磁性層21と第1の高分極率磁性層41は第1の非磁性層31を介して反強磁性結合しており、それぞれの磁化61,62の方向は反平行になる。
実施例5は、本発明によるMTJ素子を適用したランダムアクセスメモリを提案するものである。図6は、本発明による磁気メモリセルの構成例を示す断面模式図である。この磁気メモリセル100は、実施例1〜4に示したMTJ素子110を搭載している。
10 バリア層
11 下部電極
12 上部電極
13 下地層
14 キャップ層
21 第1の磁性層
22 第2の磁性層
31 第1の非磁性層
32 第2の非磁性層
41 第1の高分極率磁性層
42 第2の高分極率磁性層
51,52 積層フェリ構成
61〜64 磁化
70 電流
80 電子
100 メモリセル
110 MTJ素子
111 C−MOS
112,113 n型半導体
114 p型半導体
121 ソース電極
122 ドレイン電極
123 ゲート電極
141〜147 電極
150 書き込み線
205〜208 磁性層
209,210 非磁性層
211,212 高分極率磁性層
213 バリア層
214,215 積層フェリ構成
216 磁化
217 磁化
222 ビット線
223 ワード線
230〜232 書き込みドライバ
Claims (11)
- 垂直磁化を示す磁性層を含み膜厚方向に流れる電流によって磁化の方向が反転する記録層と、
垂直磁化を示す磁性層を含み磁化の方向が固定された固定層と、
前記記録層と前記固定層の間に配置されたバリア層とを備え、
前記固定層及び前記記録層の少なくとも一方は、非磁性層を挟んで高分極率磁性層と前記垂直磁化を示す磁性層が磁気結合した積層薄膜であり、
前記高分極率磁性層は、前記バリア層の両側界面に配置されていることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。 - 請求項1に記載のトンネル磁気抵抗効果素子おいて、前記記録層と前記固定層の少なくとも一方は、前記高分極率磁性層と前記垂直磁化を示す磁性層の磁化が反強磁性結合していることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
- 請求項1に記載のトンネル磁気抵抗効果素子おいて、前記記録層と前記固定層の少なくとも一方は、前記高分極率磁性層と前記垂直磁化を示す磁性層の磁化が強磁性結合していることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
- 請求項1に記載のトンネル磁気抵抗効果素子おいて、前記非磁性層の材料はRuであることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
- 請求項1に記載のトンネル磁気抵抗効果素子おいて、前記バリア層の材料はMgOであり、前記高分極率磁性層の材料はCoFeB,CoFe又はFeであることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
- 請求項1に記載のトンネル磁気抵抗効果素子おいて、前記記録層及び前記固定層を構成する、前記垂直磁化を示す磁性層の両方もしくは一方は、m−D019型のCoPt規則合金、L11型のCoPt規則合金、もしくはCo−Pt,Co−Pd,Fe−Pt,Fe−Pdのいずれかを主成分とするL10型の規則合金であることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
- 請求項1に記載のトンネル磁気抵抗効果素子おいて、前記記録層及び前記固定層を構成する、前記垂直磁化を示す磁性層の両方もしくは一方は、Coを含み、Cr,Ta,Nb,V,W,Hf,Ti,Zr,Pd,Fe,Niの中から選択される1つ以上の元素を含む合金であることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
- 請求項1に記載のトンネル磁気抵抗効果素子おいて、前記記録層及び前記固定層を構成する、前記垂直磁化を示す磁性層の両方もしくは一方は、Fe,Co,Niのいずれか、もしくはその中の1つ以上を含む合金と、非磁性金属とを交互に積層した積層膜であることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
- 請求項1に記載のトンネル磁気抵抗効果素子おいて、前記記録層及び前記固定層を構成する、前記垂直磁化を示す磁性層の両方もしくは一方は、粒状の磁性体が非磁性体の母相中に分散したグラニュラー構造の材料であることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
- 請求項1に記載のトンネル磁気抵抗効果素子おいて、前記記録層及び前記固定層を構成する、前記垂直磁化を示す磁性層の両方もしくは一方は、希土類金属と遷移金属を含んだアモルファス合金であることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
- 複数の磁気メモリセルと、所望の磁気メモリセルを選択する手段とを備えたランダムアクセスメモリにおいて、
前記磁気メモリセルは、請求項1〜10のいずれか1項に記載のトンネル磁気抵抗効果素子と、前記トンネル磁気抵抗効果素子の膜厚方向に通電するためのトランジスタとを備え、
前記トランジスタの一端が第一の書込みドライバ回路に接続されたソース線に電気的に接続され、
前記メモリセルの前記トランジスタに接続されていない側の端部が、第二の書込みドライバ回路と読出し信号を増幅するアンプに接続されたビット線に接続され、
前記トランジスタの抵抗を制御するワード線を備え、該ワード線が第三の書込みドライバ回路に接続され、
前記磁気メモリセルの膜厚方向に通電して前記記録層をスピントランスファートルクにより磁化反転させることによって情報の書込を行うことを特徴とするランダムアクセスメモリ。
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