JPWO2011027404A1 - Magnetic memory - Google Patents

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Abstract

記録電流密度が小さく、熱安定性に優れ、微細化に好適な磁気メモリを提供する。選択トランジスタとトンネル磁気抵抗効果素子とを複数含む磁気メモリであって、トンネル磁気抵抗効果素子は、一方向に周期的なテクスチャーを有する第1の下地層302と、第1の下地層302の上に形成され、岩塩構造に配向した第2の下地層303と、第2の下地層303の上に形成され、hcp(1010)方向に配向したCo基合金を主成分とする硬磁性層21と硬磁性層21の上に形成された非磁性層22と非磁性層22の上に形成された軟磁性層23とを有する積層フェリ記録層2と、を有し、Co基合金を主成分とする硬磁性層21と軟磁性層23とは反強磁性的に結合している。A magnetic memory having a small recording current density, excellent thermal stability, and suitable for miniaturization is provided. A magnetic memory including a plurality of selection transistors and tunnel magnetoresistive elements, wherein the tunnel magnetoresistive element is formed on a first base layer 302 having a periodic texture in one direction and on the first base layer 302. A second underlayer 303 oriented in a rock salt structure, and a hard magnetic layer 21 formed on the second underlayer 303 and mainly composed of a Co-based alloy oriented in the hcp (1010) direction; A laminated ferri-recording layer 2 having a nonmagnetic layer 22 formed on the hard magnetic layer 21 and a soft magnetic layer 23 formed on the nonmagnetic layer 22, and comprising a Co-based alloy as a main component. The hard magnetic layer 21 and the soft magnetic layer 23 are antiferromagnetically coupled.

Description

本発明は、スピントルクを用いて磁石の磁極の向きを反転するスピントルク磁化反転を応用した磁気メモリに関する。   The present invention relates to a magnetic memory using spin torque magnetization reversal that reverses the direction of magnetic poles of a magnet using spin torque.

近年、従来のダイナミック・ランダム・アクセスメモリ(DRAM)を置きかえる可能性を有する磁気ランダム・アクセスメモリ(MRAM)が注目されている。従来のMRAMでは、例えば特許文献1に記載されているように、磁性膜/非磁性絶縁膜/磁性膜の多層構造を有するトンネル磁気抵抗効果(TMR)素子の一方の磁化を、前記TMR素子の上下に互いに直交する方向に設けられた2つの金属配線に流れる電流が作る合成磁界を用いて反転させることにより記録を行う方式が採用されている。   In recent years, magnetic random access memory (MRAM) that has the potential to replace conventional dynamic random access memory (DRAM) has attracted attention. In the conventional MRAM, as described in Patent Document 1, for example, one magnetization of a tunnel magnetoresistive effect (TMR) element having a multilayer structure of a magnetic film / a nonmagnetic insulating film / a magnetic film is obtained from the TMR element. A system is employed in which recording is performed by reversing using a combined magnetic field generated by currents flowing in two metal wirings provided vertically in directions perpendicular to each other.

しかしながら、MRAMにおいても、大容量化のためTMR素子のサイズを小さくすると磁化反転に要する磁界の大きさが大きくなり、たくさんの電流を金属配線に流すことが必要となり、消費電力の増加、ひいては配線の破壊を招いてしまうという課題が指摘されている。   However, even in the MRAM, if the size of the TMR element is reduced to increase the capacity, the magnitude of the magnetic field required for magnetization reversal increases, and it is necessary to pass a large amount of current through the metal wiring. It has been pointed out that it will lead to the destruction.

磁界を用いずに磁化反転する方法としてスピントルク磁化反転が提案され、磁気メモリへの応用が検討されている。スピントルク磁化反転技術については、例えば、非特許文献1〜4や特許文献2に開示されている。   Spin torque magnetization reversal has been proposed as a method of reversing magnetization without using a magnetic field, and its application to magnetic memory is being studied. The spin torque magnetization reversal technique is disclosed in Non-Patent Documents 1 to 4 and Patent Document 2, for example.

非特許文献1には、磁気再生ヘッドで用いられる巨大磁気抵抗効果(GMR)膜やトンネル磁気抵抗効果(TMR)膜に、一定以上の電流を流すだけで磁化反転が可能であることが理論的に示されている。非特許文献2には、二つのCuの電極の間にCo/Cu/Coの多層膜(GMR膜)を含む直径130nmのピラーを形成し、前記ピラーに電流を流し、流れる電流のスピンからCo層の磁化に与えられるスピントルクを用いて、Co層の磁化を反転する記録方式の実験例が報告されている。   Non-Patent Document 1 theoretically indicates that magnetization reversal is possible only by passing a current of a certain level or more through a giant magnetoresistive effect (GMR) film or tunnel magnetoresistive effect (TMR) film used in a magnetic reproducing head. Is shown in In Non-Patent Document 2, a pillar having a diameter of 130 nm including a Co / Cu / Co multilayer film (GMR film) is formed between two Cu electrodes, a current is passed through the pillar, and Co is generated from the spin of the flowing current. There has been reported an example of a recording method in which the magnetization of the Co layer is reversed by using the spin torque applied to the magnetization of the layer.

また、非特許文献3において、TMR膜を用いたナノピラーを用いて、スピントルク磁化反転が実証された。特にTMR膜を用いたスピントルク磁化反転では、従来のMRAMと同等以上の出力が得られることが開示されている。非特許文献4にはスピントルク磁化反転の書換えに必要なしきい電流密度について開示されている。   In Non-Patent Document 3, spin torque magnetization reversal was demonstrated using a nanopillar using a TMR film. In particular, it is disclosed that spin torque magnetization reversal using a TMR film can provide an output equivalent to or higher than that of a conventional MRAM. Non-Patent Document 4 discloses a threshold current density that is not necessary for rewriting spin torque magnetization reversal.

上述のスピントルク磁化反転について図1(a)、図1(b)を用いて説明する。図1(a)、図1(b)において、ビット線1に、磁化方向が変化する第1の強磁性層(記録層)2、中間層(障壁層)3、磁化方向が固定された第2の強磁性層(固定層)4からなる磁気抵抗効果素子と、ゲート電極5で伝導を制御されたトランジスタ6が接続され、トランジスタのもう一方の端子はソース線7に接続されている。   The above spin torque magnetization reversal will be described with reference to FIGS. 1 (a) and 1 (b). In FIG. 1A and FIG. 1B, a bit line 1 includes a first ferromagnetic layer (recording layer) 2, an intermediate layer (barrier layer) 3, and a magnetization direction fixed. A magnetoresistive element composed of two ferromagnetic layers (fixed layers) 4 and a transistor 6 whose conduction is controlled by a gate electrode 5 are connected, and the other terminal of the transistor is connected to a source line 7.

図1(a)のように、固定層4と記録層2の磁化を反平行(高抵抗)状態から平行(低抵抗)状態に変化させる場合には、電流8はビット線1からソース線7に流す。このとき、電子9はソース線7からビット線1に流れる。   As shown in FIG. 1A, when the magnetization of the fixed layer 4 and the recording layer 2 is changed from the antiparallel (high resistance) state to the parallel (low resistance) state, the current 8 is changed from the bit line 1 to the source line 7. Shed. At this time, the electrons 9 flow from the source line 7 to the bit line 1.

一方、図1(b)のように、固定層4と記録層2の磁化を平行(低抵抗)状態から反平行(高抵抗)状態に変化させる場合には、電流8はソース線7からビット線1の方向に流せばよい。このとき、電子9はビット線1からソース線7の方向に流れる。   On the other hand, when the magnetizations of the fixed layer 4 and the recording layer 2 are changed from the parallel (low resistance) state to the antiparallel (high resistance) state as shown in FIG. What is necessary is just to flow in the direction of line 1. At this time, the electrons 9 flow from the bit line 1 to the source line 7.

上記構成により磁化反転が可能であるが、記録密度の高密度化のために記録層の断面積を小さくしたところ熱揺らぎのために磁化が反転する、即ち記録が失われリテンションが保たれないことが問題となった。   Magnetization reversal is possible with the above configuration, but when the cross-sectional area of the recording layer is reduced to increase the recording density, the magnetization is reversed due to thermal fluctuation, that is, the recording is lost and the retention is not maintained. Became a problem.

そこで、例えば特許文献2に記載されているように、上記記録層2を、非磁性層220をはさんだ2層の強磁性層210、230で構成し、その磁化の向きをお互いに反対方向になるように配置させ、外部からの侵入磁界に関して安定化させる積層フェリ構造と呼ばれる構造が提案された(図2参照)。   Therefore, for example, as described in Patent Document 2, the recording layer 2 is composed of two ferromagnetic layers 210 and 230 sandwiching the nonmagnetic layer 220, and the magnetization directions are opposite to each other. There has been proposed a structure called a laminated ferri structure that is arranged in such a manner as to be stabilized with respect to an intruding magnetic field from the outside (see FIG. 2).

米国特許第5734605号明細書US Pat. No. 5,734,605 特表2005−294376号公報JP 2005-294376 A

Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 159, L1−6 (1996)Journal of Magnetics and Magnetic Materials, 159, L1-6 (1996) Physical Review Letters, Vol.84, No.14, pp.2149−2152(2000)Physical Review Letters, Vol. 84, no. 14, pp. 2149-2152 (2000) Applied Physics Letters, Vol. 84,No.16, pp.3118−3120(2004)Applied Physics Letters, Vol. 84, no. 16, pp. 3118-3120 (2004) Physical Review B, Vol.62,No.1, pp.570−578(2000)Physical Review B, Vol. 62, no. 1, pp. 570-578 (2000)

磁気メモリには大容量化が求められており、高密度化への要求が高い。しかし、この要求に対して従来のこれらのMRAMには、以下のような問題がある。   Magnetic memories are required to have a large capacity, and there is a high demand for higher density. However, these conventional MRAMs have the following problems in response to this requirement.

スピントルク磁化反転を応用した磁気メモリでは、書換え電流の低減と不揮発性を保証する熱安定性の確保が極めて重要である。スピントルク磁化反転の書換え電流は電流密度で決まることが知られており、しきい電流密度Jc0は式1で与えられる。   In a magnetic memory using spin torque magnetization reversal, it is extremely important to reduce the rewrite current and ensure the thermal stability to ensure the non-volatility. It is known that the rewriting current for spin torque magnetization reversal is determined by the current density, and the threshold current density Jc0 is given by Equation 1.

Jc0∝(α・Ms・t/g)(Hk+Meff/2μ0) (1)
ここで、αはギルバートのダンピング定数、Msは記録層2の飽和磁化、tは記録層の膜厚、gはスピントルクの効率、Hkは記録層の異方性磁界、Meffは膜面に垂直方向に働く反磁界の効果を差し引いた記録層の有効磁化、μ0は真空の透磁率である。
Jc0∝ (α · Ms · t / g) (Hk + Meff / 2μ0) (1)
Where α is the Gilbert damping constant, Ms is the saturation magnetization of the recording layer 2, t is the thickness of the recording layer, g is the spin torque efficiency, Hk is the anisotropic magnetic field of the recording layer, and Meff is perpendicular to the film surface. Effective magnetization of the recording layer minus the effect of the demagnetizing field acting in the direction, μ 0 is the vacuum permeability.

一方、熱安定性を特徴づけるエネルギー障壁、すなわち二つの安定な磁化方向の間で磁化反転をするために必要なエネルギーは、式2で与えられる。   On the other hand, the energy barrier that characterizes the thermal stability, that is, the energy required for magnetization reversal between two stable magnetization directions is given by Equation 2.

E〜1/2×(Ms・Hk・S・t) (2)
ここで、SはTMRピラーの断面積である。
E to 1/2 × (Ms · Hk · S · t) (2)
Here, S is a cross-sectional area of the TMR pillar.

式1、2からわかるように、Jc0、EともにMs・tに比例する量である。したがって熱安定性を確保するためにMs・tを増加させるとJc0も大きくなり、書き込みに要する消費電力が増える。他方、しきい電流を減らすためにMs・tを減少させるとEも減少し、熱安定性が損なわれる。すなわち、Jc0とEはトレードオフの関係にある。   As can be seen from Equations 1 and 2, both Jc0 and E are quantities proportional to Ms · t. Therefore, if Ms · t is increased in order to ensure thermal stability, Jc0 also increases and the power consumption required for writing increases. On the other hand, if Ms · t is decreased in order to reduce the threshold current, E is also decreased and the thermal stability is impaired. That is, Jc0 and E are in a trade-off relationship.

一方、特許文献2に記載されている積層フェリ記録層を用いたMRAMでは、記録層の磁化の向きがお互いに反対向きであるため、スピントルク磁化反転に効く、ベクトル的作用を有する正味の磁化Ms・tの値が小さくなりJc0が小さく出来るという利点を有する。一方で、熱安定性には(式2)のMs・tは二つの磁性層の全磁化の和が効くので、磁性層の体積が増大した分、熱的に安定となる。すなわち、積層フェリ記録層は、低いJc0と高いEを兼ね備えた構造である。積層フェリ記録層のEを決定するHkは
Hk=Hku+r・Hsp (3)
と書ける。ここで、Hkuは誘導結晶磁気異方性磁界、Hspは素子断面の短辺と長辺の長さが異なっていることに起因する形状磁気異方性磁界、rは積層フェリ記録層の上下の二つの磁性膜の静磁気結合磁界が形状磁気異方性磁界を遮蔽する効果を表す係数である。
On the other hand, in the MRAM using the laminated ferri-recording layer described in Patent Document 2, since the magnetization directions of the recording layers are opposite to each other, the net magnetization having a vector action that is effective for spin torque magnetization reversal. There is an advantage that the value of Ms · t is reduced and Jc0 can be reduced. On the other hand, for the thermal stability, Ms · t in (Equation 2) is the sum of the total magnetizations of the two magnetic layers, so that the magnetic layer becomes thermally stable as the volume of the magnetic layer increases. That is, the laminated ferri-recording layer has a structure having both low Jc0 and high E. Hk which determines E of the laminated ferri-recording layer is Hk = Hku + r · Hsp (3)
Can be written. Here, Hku is an induced crystal magnetic anisotropy magnetic field, Hsp is a shape magnetic anisotropy magnetic field caused by the difference between the short side and long side length of the element cross section, and r is the upper and lower sides of the laminated ferri-recording layer. This is a coefficient representing the effect of the magnetostatic coupling magnetic fields of the two magnetic films shielding the shape magnetic anisotropic magnetic field.

一般に形状磁気異方性磁界は、素子断面の長径/短径(アスペクト比)が増加すると増大するが、スピントルク磁化反転を用いた磁気メモリの場合、アスペクト比を大きくしすぎると記録層の磁化反転過程が不均一になり、記録電流密度の上昇や熱安定性の低下を招くことが知られている。   In general, the shape magnetic anisotropy field increases as the major axis / minor axis (aspect ratio) of the cross section of the element increases, but in the case of a magnetic memory using spin torque magnetization reversal, the magnetization of the recording layer is increased if the aspect ratio is too large. It is known that the inversion process becomes non-uniform, leading to an increase in recording current density and a decrease in thermal stability.

メモリ微細化にかかわらずEを一定に保つには、Hkを増加させる必要があるが、そのためアスペクト比を増大してHspを増やそうとすると、記録電流密度の上昇や熱安定性の低下が起こってしまう。したがって、メモリ微細化に対応してHkuを増加してEを保持しなくてはならない。しかしながら、これまでの磁気メモリでは、記録層の材料として保磁力HcやHkuの小さい軟磁性材料を用いていたために、Hkuを増加させることは不可能であった。また、Hkuが大きな硬磁性材料は、結晶粒の結晶軸がばらばらで磁化の向きが揃わず、そのままでは記録層として用いることができない。   To keep E constant regardless of memory miniaturization, it is necessary to increase Hk. Therefore, if the aspect ratio is increased to increase Hsp, the recording current density increases and the thermal stability decreases. End up. Accordingly, Hku must be increased to keep E corresponding to memory miniaturization. However, in the conventional magnetic memory, a soft magnetic material having a small coercive force Hc or Hku is used as the material of the recording layer, and thus it is impossible to increase Hku. Also, a hard magnetic material having a large Hku cannot be used as a recording layer as it is because the crystal axes of the crystal grains are scattered and the directions of magnetization are not uniform.

本願発明の目的は、記録電流密度が小さく、熱安定性に優れ、微細化に好適な磁気メモリを提供することにある。   An object of the present invention is to provide a magnetic memory having a small recording current density, excellent thermal stability, and suitable for miniaturization.

上記目的を達成するための一形態として、選択トランジスタと、前記選択トランジスタの一端に接続されたトンネル磁気抵抗効果素子とを複数含む磁気メモリであって、前記トンネル磁気抵抗効果素子は、一方向に周期的なテクスチャーを有する第1の下地層と、前記第1の下地層の上に形成され、岩塩構造に配向した第2の下地層と、前記第2の下地層の上に形成され、hcp(1010)方向に配向したCo基合金を主成分とする硬磁性層と前記硬磁性層の上に形成された非磁性層と前記非磁性層の上に形成された軟磁性層とを有する積層フェリ記録層と、前記積層フェリ記録層の上に形成された障壁層と、前記障壁層の上に形成された強磁性固定層と、を有し、前記積層フェリ記録層を構成する前記Co基合金を主成分とする前記硬磁性層と前記軟磁性層とは反強磁性的に結合していることを特徴とする磁気メモリとする。   As one form for achieving the above object, a magnetic memory including a selection transistor and a plurality of tunnel magnetoresistive effect elements connected to one end of the select transistor, wherein the tunnel magnetoresistive effect element is unidirectional. A first underlayer having a periodic texture; a second underlayer formed on the first underlayer and oriented in a rock salt structure; and formed on the second underlayer, hcp A laminate having a hard magnetic layer mainly composed of a Co-based alloy oriented in the (1010) direction, a nonmagnetic layer formed on the hard magnetic layer, and a soft magnetic layer formed on the nonmagnetic layer The Co base comprising the ferri recording layer, a barrier layer formed on the laminated ferri recording layer, and a ferromagnetic pinned layer formed on the barrier layer, and constituting the laminated ferri recording layer Hard magnets mainly composed of alloys A magnetic memory, characterized in that it is antiferromagnetically coupled to the said the layer soft magnetic layer.

また、前記磁気メモリにおいて、前記固定層の磁化は、前記固定層上に接触して設けられた反強磁性層からの交換結合力で固定されていることを特徴とする磁気メモリとする。   In the magnetic memory, the magnetization of the fixed layer is fixed by an exchange coupling force from an antiferromagnetic layer provided in contact with the fixed layer.

また、前記磁気メモリにおいて、前記固定層は、非磁性の中間層を挟んだ第1及び第2の強磁性層で構成され、前記第1及び第2の強磁性層は互いに、反強磁性的に交換結合していることを特徴する磁気メモリとする。   In the magnetic memory, the pinned layer includes first and second ferromagnetic layers sandwiching a nonmagnetic intermediate layer, and the first and second ferromagnetic layers are antiferromagnetic with each other. The magnetic memory is characterized by being exchange-coupled to.

また、前記磁気メモリにおいて、前記Co基合金は、少なくともCoとPtとCrとを含む材料からなる合金であることを特徴とする磁気メモリとする。   In the magnetic memory, the Co-based alloy is an alloy made of a material containing at least Co, Pt, and Cr.

また、前記磁気メモリにおいて、前記Co基合金は、添加物として少なくともSiO2、TiO、TiO2、ZrO2、Cr2O3、CoO、Ta2O5のいずれか一者を含むことを特徴とする磁気メモリとする。   In the magnetic memory, the Co-based alloy may include at least one of SiO2, TiO, TiO2, ZrO2, Cr2O3, CoO, and Ta2O5 as an additive.

また、前記磁気メモリにおいて、前記固定層はCoFeBを、前記障壁層はMgOを、前記積層フェリ記録層を構成する前記軟磁性層はCoFeBをそれぞれ主成分とすることを特徴とする磁気メモリとする。   In the magnetic memory, the fixed layer is mainly composed of CoFeB, the barrier layer is composed of MgO, and the soft magnetic layer constituting the laminated ferri recording layer is composed mainly of CoFeB. .

また、前記磁気メモリにおいて、前記積層フェリ記録層の記録層面内方向の縦横比が略1であることを特徴とする磁気メモリとする。   In the magnetic memory, the aspect ratio of the laminated ferri-recording layer in the in-plane direction of the recording layer is approximately 1.

また、前記磁気メモリにおいて、前記選択トランジスタは電界効果型トランジスタであることを特徴とする磁気メモリとする。   In the magnetic memory, the selection transistor is a field effect transistor.

また、前記磁気メモリにおいて、前記トンネル磁気抵抗効果素子に接続されていない前記選択トランジスタの他端が接続されたソース線と、前記ソース線に接続された第一の書込みドライバー回路と、前記選択トランジスタに接続されていない前記トンネル磁気抵抗効果素子の他端が接続されたビット線と、前記ビット線に接続された、読出し信号を増幅するアンプ及び第二の書込みドライバー回路と、前記選択トランジスタの抵抗を制御するワード線と、前記ワード線が接続された第三の書込みドライバーと、を更に有することを特徴とする磁気メモリとする。   In the magnetic memory, a source line connected to the other end of the selection transistor not connected to the tunnel magnetoresistive element, a first write driver circuit connected to the source line, and the selection transistor A bit line connected to the other end of the tunnel magnetoresistive element not connected to the amplifier, an amplifier for amplifying a read signal and a second write driver circuit connected to the bit line, and a resistance of the selection transistor And a third write driver to which the word line is connected.

記録電流密度が小さく、熱安定性に優れ、微細化に好適な磁気メモリを提供することができる。   A magnetic memory having a small recording current density, excellent thermal stability, and suitable for miniaturization can be provided.

スピントルク磁化反転(反平行状態から平行状態への磁化反転)の原理を説明するための磁気メモリの要部概略図である。It is a principal part schematic diagram of the magnetic memory for demonstrating the principle of spin torque magnetization reversal (magnetization reversal from an antiparallel state to a parallel state). スピントルク磁化反転の原理(平行状態から反平行状態への磁化反転)を説明するため磁気メモリの要部概略図である。It is a principal part schematic diagram of a magnetic memory in order to explain the principle (magnetization reversal from a parallel state to an antiparallel state) of spin torque magnetization reversal. 従来の他の磁気メモリの要部概略図である。It is a principal part schematic diagram of the other conventional magnetic memory. 第1の実施例に係る磁気メモリの要部概略断面図である。It is a principal part schematic sectional drawing of the magnetic memory which concerns on a 1st Example. RaとTMR比の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between Ra and TMR ratio. 第1の実施例における磁界−磁化ヒステリシスの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the magnetic field-magnetization hysteresis in a 1st Example. テクスチャーによる配向効果(テクスチャーがある場合)を説明するための硬磁性層の概略図である。It is the schematic of the hard-magnetic layer for demonstrating the orientation effect (when there exists a texture) by a texture. テクスチャーによる配向効果(テクスチャーがない場合)を説明するための硬磁性層の概略図である。It is the schematic of the hard-magnetic layer for demonstrating the orientation effect (when there is no texture) by a texture. 積層フェリ構造の磁界−磁化ヒステリシスの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the magnetic field-magnetization hysteresis of a laminated ferri structure. 第2の実施例に係るメモリアレイ回路の一例を表す図である。It is a figure showing an example of the memory array circuit which concerns on a 2nd Example.

以下、実施例により説明する。   Hereinafter, an example explains.

まず、高い熱安定性と小さなJc0を両立するTMR素子を得るための原理を述べる。   First, the principle for obtaining a TMR element that achieves both high thermal stability and small Jc0 will be described.

図3は、本実施例の硬磁性層を有する積層フェリ記録層を用いたTMR膜の断面である。図3において、301は下部電極、302はテクスチャーをつけた下地層、303は硬磁性膜の配向性を制御するための岩塩構造の下地層、2は積層フェリ記録層であり、21は硬磁性層、22は金属中間層、23は軟磁性層、3は障壁層、4は積層フェリ固定層であり、41は軟磁性層、42は金属中間層(非磁性層)、43は軟磁性層、304は積層フェリ固定層の磁化方向を固定するための反強磁性層、305はキャップ層である。TMR素子に選択トランジスタを接続することにより磁気メモリを構成することができる。各層の働きを以下述べる。   FIG. 3 is a cross-sectional view of a TMR film using a laminated ferrimagnetic recording layer having a hard magnetic layer of this example. In FIG. 3, 301 is a lower electrode, 302 is a textured underlayer, 303 is a rock salt underlayer for controlling the orientation of the hard magnetic film, 2 is a laminated ferri-recording layer, and 21 is a hard magnetic layer. Layer, 22 is a metal intermediate layer, 23 is a soft magnetic layer, 3 is a barrier layer, 4 is a laminated ferrimagnetic fixed layer, 41 is a soft magnetic layer, 42 is a metal intermediate layer (nonmagnetic layer), and 43 is a soft magnetic layer , 304 are antiferromagnetic layers for fixing the magnetization direction of the laminated ferrimagnetic pinned layer, and 305 is a cap layer. A magnetic memory can be configured by connecting a selection transistor to the TMR element. The function of each layer is described below.

テクスチャー下地層302は、テクスチャーに平行な方向と垂直な方向の二つの方向の間に歪の差を作り出し、硬磁性層21の面内方向の配向を制御する。下地層303は、特定の結晶構造をとり、その上にエピタキシャル成長する硬磁性層21の膜面と垂直方向の結晶配向を制御する。   The texture underlayer 302 creates a difference in strain between two directions, a direction parallel to the texture and a direction perpendicular to the texture, and controls the in-plane orientation of the hard magnetic layer 21. The underlayer 303 has a specific crystal structure and controls crystal orientation in a direction perpendicular to the film surface of the hard magnetic layer 21 epitaxially grown thereon.

硬磁性層21は大きな結晶磁気異方性磁界を有し、熱安定性の向上に寄与する。金属中間層(非磁性層)22を介して、硬磁性層21と軟磁性層23が反強磁性的に結合している。軟磁性層23は高いスピン分極率の材料でできており、スピントルク磁化反転のしきい電流密度を低減する働きを有する。   The hard magnetic layer 21 has a large magnetocrystalline anisotropy magnetic field and contributes to the improvement of thermal stability. The hard magnetic layer 21 and the soft magnetic layer 23 are antiferromagnetically coupled via the metal intermediate layer (nonmagnetic layer) 22. The soft magnetic layer 23 is made of a material having a high spin polarizability, and has a function of reducing a threshold current density of spin torque magnetization reversal.

すなわち、低しきい電流密度化には軟磁性層23が、高熱安定性化には硬磁性層21が寄与するのである。積層フェリ固定層4はスピン偏極電子のフィルタとして機能することは、これまでのTMR素子と同様である。   That is, the soft magnetic layer 23 contributes to lower threshold current density and the hard magnetic layer 21 contributes to higher thermal stability. The laminated ferri-fixed layer 4 functions as a spin-polarized electron filter as in the conventional TMR element.

以下具体的な材料を示した具体例を詳述する。本実施例では、硬強磁性層21としてCo系の合金を用いた場合を示す。Co系合金としては、少なくともCoとPtとCrとを含む材料からなる合金、および金属として他にMo,W,Ta,Ti,V,Bなどの元素を含有させることができる。また、これらの金属の他に、二酸化珪素(SiO2)、一酸化チタン(TiO)、二酸化チタン(TiO2)、ジルコニア(ZrO2)、酸化クロム(Cr2O3)、CoO、五酸化タンタル(Ta2O5)などの酸化物を含有させることもできる。   Specific examples showing specific materials will be described in detail below. In this embodiment, a case where a Co-based alloy is used as the hard ferromagnetic layer 21 is shown. As the Co-based alloy, an alloy made of a material containing at least Co, Pt, and Cr, and other elements such as Mo, W, Ta, Ti, V, and B can be contained as a metal. In addition to these metals, oxidation of silicon dioxide (SiO2), titanium monoxide (TiO), titanium dioxide (TiO2), zirconia (ZrO2), chromium oxide (Cr2O3), CoO, tantalum pentoxide (Ta2O5), etc. A thing can also be contained.

軟磁性層23の材料としてCoxFeyBz、非磁性層22の材料としては、例えばRuを用いる。特にzが略20%のCoFe合金は、障壁層3材料としてMgOを用いたとき、高いTMR比が得られる。   For example, Ru is used as the material of the soft magnetic layer 23 and CoxFeyBz as the material of the nonmagnetic layer 22. Particularly, a CoFe alloy having z of about 20% can obtain a high TMR ratio when MgO is used as the material of the barrier layer 3.

固定層の材料としては、軟磁性層41としてCoxFeyBz、非磁性層42として例えばRu、軟磁性層43としてCoFe、反強磁性層304としてIrMn、PtMn、PdMn、FeMn、IrCrMnのいずれかを用いる。Co系合金の磁化容易軸方向を膜面内に向けるためには、適切な下地を用いる必要がある。   As the material of the fixed layer, CoxFeyBz is used as the soft magnetic layer 41, Ru is used as the nonmagnetic layer 42, CoFe is used as the soft magnetic layer 43, and any of IrMn, PtMn, PdMn, FeMn, and IrCrMn is used as the antiferromagnetic layer 304. In order to direct the easy axis of magnetization of the Co-based alloy into the film plane, it is necessary to use an appropriate base.

さらに磁化容易軸の方向を一方向に向けるには、テクスチャーを用い硬磁製膜21の歪を制御する必要がある。我々は、種々の材料の検討により、下部電極301として平坦性のよいTa/Ru/Taの3層膜を用い、その上にテクスチャーをつける下地層302としてAlを用い、その上に硬磁性層21の結晶構造を制御する下地層303として、下からNiAl合金とCrの順で製膜された2層膜を用いた。   Furthermore, in order to direct the direction of the easy magnetization axis in one direction, it is necessary to control the distortion of the hard magnetic film 21 using a texture. Based on the study of various materials, we use a three-layer film of Ta / Ru / Ta with good flatness as the lower electrode 301, use Al as the base layer 302 to be textured thereon, and a hard magnetic layer thereon. As the underlayer 303 for controlling the crystal structure of No. 21, a two-layer film formed from the bottom in the order of NiAl alloy and Cr was used.

この2層膜は、岩塩構造を有し、特に(112)方向に強く配向する。典型的な膜厚は、下部電極301はTa(5nm)/Ru(10nm)/Ta(5nm)、下地層302はAl(10nm)、下地層303はNiAl(10nm)/Cr(10nm)、硬磁性層21はCoCrPtB(6nm)、非磁性層22はRu(0.8nm)、軟磁性層23はCo20Fe60B20(2.5nm)、障壁層3はMgO(1nm)、軟磁性層41はCo20Fe60B20(3nm)、非磁性層42はRu(0.8nm)、軟磁性層43はCoFe(2.5nm)、反強磁性層304はIrMn(8nm)である。   This two-layer film has a rock salt structure and is particularly strongly oriented in the (112) direction. Typical film thicknesses are Ta (5 nm) / Ru (10 nm) / Ta (5 nm) for the lower electrode 301, Al (10 nm) for the underlayer 302, NiAl (10 nm) / Cr (10 nm) for the underlayer 303, and hard The magnetic layer 21 is CoCrPtB (6 nm), the nonmagnetic layer 22 is Ru (0.8 nm), the soft magnetic layer 23 is Co20Fe60B20 (2.5 nm), the barrier layer 3 is MgO (1 nm), and the soft magnetic layer 41 is Co20Fe60B20 (3 nm). ), The nonmagnetic layer 42 is Ru (0.8 nm), the soft magnetic layer 43 is CoFe (2.5 nm), and the antiferromagnetic layer 304 is IrMn (8 nm).

以下この膜厚の場合について詳述していくが、一般的に膜厚はこれに限られるものではない。ただし、硬磁性層21の膜厚t1と軟磁性層23の膜厚t2については、以下の注意が必要である。すなわち、硬磁性層21の飽和磁化をMs1、軟磁性層23の飽和磁化をMs2とするとき、|Ms1・t1−Ms2・t2|<0.5T・nmが望ましい。これは積層フェリ記録層の実効的な磁化量を小さくすることにより、しきい電流密度Jc0を低減するためである。   Hereinafter, the case of this film thickness will be described in detail, but generally the film thickness is not limited to this. However, regarding the film thickness t1 of the hard magnetic layer 21 and the film thickness t2 of the soft magnetic layer 23, the following cautions are necessary. That is, when the saturation magnetization of the hard magnetic layer 21 is Ms1 and the saturation magnetization of the soft magnetic layer 23 is Ms2, | Ms1 · t1−Ms2 · t2 | <0.5 T · nm is desirable. This is to reduce the threshold current density Jc0 by reducing the effective amount of magnetization of the laminated ferri recording layer.

まず、テクスチャーの詳細について述べる。テクスチャーの凹凸の大きさは、平均粗さRaで評価することができる。Raは、原子間力顕微鏡のラインスキャンで測定した凹凸の大きさをスキャンしたラインの長さで平均した量である。本実施例では、テクスチャーをつける前のRaは約0.08nmであった。これにテクスチャーをつけるために、軽いイオンビームエッチングを、TMR素子の斜め上方からビームを入射させて行って形成する。   First, the details of the texture will be described. The size of the texture irregularities can be evaluated by the average roughness Ra. Ra is an amount obtained by averaging the size of the unevenness measured by line scanning with an atomic force microscope by the length of the scanned line. In this example, Ra before applying the texture was about 0.08 nm. In order to add a texture to this, light ion beam etching is performed by making the beam incident obliquely from above the TMR element.

図4は、平均粗さRaの値とTMRの特性の関係を示したものである。TMR比はRaの増大によって急激に減少することがわかる。なお、TMR比は、低い抵抗をRL、高い抵抗をRHとしたとき、{(RH−RL)/RL}×100(%)で表される。Raが0.15nm以上の凹凸をつけると、障壁層3に貫通する欠陥ができ、TMR素子の特性が大きく劣化してしまうので、好ましくない。発明者らが素子作製プロセスを詳細に検討した結果、Ra=0.15nm以下とすることで、磁気異方性の増加と大きなTMR比の維持の両立が可能であることがわかった。   FIG. 4 shows the relationship between the value of average roughness Ra and the characteristics of TMR. It can be seen that the TMR ratio decreases rapidly as Ra increases. The TMR ratio is represented by {(RH−RL) / RL} × 100 (%), where RL is a low resistance and RH is a high resistance. If Ra is 0.15 nm or more, a defect penetrating the barrier layer 3 is formed, and the characteristics of the TMR element are greatly deteriorated. As a result of detailed investigations of the element fabrication process by the inventors, it was found that an increase in magnetic anisotropy and maintenance of a large TMR ratio can be achieved by setting Ra = 0.15 nm or less.

次に下地層303を構成するNiAl/Cr合金の特性について述べる。まず、通常のテクスチャーのない平坦なAl膜上にNiAl(10nm)/Cr(10nm)薄膜をスパッタ法により成長した。スパッタ温度は室温である。このとき、Al膜面と垂直方向の結晶構造をθ−2θタイプのX線で評価したところ、強い岩塩構造の(112)配向が検出された。   Next, characteristics of the NiAl / Cr alloy constituting the underlayer 303 will be described. First, a NiAl (10 nm) / Cr (10 nm) thin film was grown by sputtering on a flat Al film having no texture. The sputtering temperature is room temperature. At this time, when the crystal structure perpendicular to the Al film surface was evaluated by X-rays of θ-2θ type, a strong (112) orientation of the rock salt structure was detected.

その上に硬磁性層となるCoCrPtBをスパッタ法により成長させた後、再びθ−2θタイプのX線による評価を行ったところ、CoCrPtBが(10−10)方向に強く配向していることがわかった。そこでCoCrPtB膜面内の配向を調べるためにX線の極点図形をとったところ、特に強い配向性は観測されなかった。   After CoCrPtB, which becomes a hard magnetic layer, was grown by sputtering and then evaluated again by θ-2θ type X-ray, it was found that CoCrPtB was strongly oriented in the (10-10) direction. It was. Therefore, when an X-ray pole figure was taken in order to investigate the orientation in the CoCrPtB film surface, no particularly strong orientation was observed.

断面TEM観察により、さらにCoCrPtB膜の微細構造を調べたところ、CoCrPtB膜は結晶粒からなるグラミュラー構造であり、隣接する結晶粒間には、Crが偏析した構造であった。   When the microstructure of the CoCrPtB film was further examined by cross-sectional TEM observation, the CoCrPtB film had a granular structure composed of crystal grains, and Cr was segregated between adjacent crystal grains.

そこで次に上記のようなイオンビーム処理によるテクスチャー加工を施したAl膜上にNiAl(10nm)/Cr(10nm)/CoCrPtB(6nm)を製膜した。まず通常のθ−2θタイプのX線で評価を行ったところ、CoCrPtBが(10−10)方向に強く配向していることが、再び確認された。次にX線上の極点図形を評価したところ、テクスチャーに平行な方向にCoCrPtBの(0001)方向が配向していることが確認された。   Therefore, NiAl (10 nm) / Cr (10 nm) / CoCrPtB (6 nm) was formed on the Al film subjected to the texture processing by the ion beam treatment as described above. First, it was confirmed again that CoCrPtB was strongly oriented in the (10-10) direction when evaluated with ordinary θ-2θ type X-rays. Next, when the pole figure on the X-ray was evaluated, it was confirmed that the (0001) direction of CoCrPtB was oriented in a direction parallel to the texture.

CoCrPtBの磁化容易軸は(0001)方向なので、この事実より、テクスチャーに平行な方向にのみ磁化容易軸が誘導されていることが予想される。図5は、外部磁場をテクスチャーと平行方向にかけた場合の磁界−磁化ヒステリシス曲線である。これより、本実施例のCoCrPtB膜の場合、テクスチャーと平行方向が磁化容易軸であり、保磁力は約3000Oe,異方性磁界は約6000Oe程度であることがわかった。   Since the easy axis of CoCrPtB is in the (0001) direction, it is expected from this fact that the easy axis is induced only in the direction parallel to the texture. FIG. 5 is a magnetic field-magnetization hysteresis curve when an external magnetic field is applied in a direction parallel to the texture. Thus, in the case of the CoCrPtB film of this example, it was found that the direction parallel to the texture is the easy axis of magnetization, the coercive force is about 3000 Oe, and the anisotropic magnetic field is about 6000 Oe.

以上、テクスチャーが導入されている場合といない場合の配向性を比較して描いた図が図6(a)、図6(b)である。テクスチャーが導入されている場合は、図6(a)のように、結晶軸および磁化容易軸がテクスチャーと平行な方向に揃う。これにより一軸磁気異方性が誘起される。一方テクスチャーが導入されていない場合は、結晶軸および磁化容易軸は、図6(b)のように面内にランダムに分布するので、一軸磁気異方性は誘起されないのである。   As described above, FIGS. 6 (a) and 6 (b) are diagrams illustrating the orientation of the case where the texture is introduced and the case where the texture is not introduced. When the texture is introduced, the crystal axis and the easy axis of magnetization are aligned in a direction parallel to the texture as shown in FIG. This induces uniaxial magnetic anisotropy. On the other hand, when no texture is introduced, the crystal axis and the easy axis of magnetization are randomly distributed in the plane as shown in FIG. 6B, so that no uniaxial magnetic anisotropy is induced.

次に、テクスチャーAl/NiAl/Cr膜上に成長したCoCrPtB膜上にRu/Co20Fe60B20膜を製膜して磁気特性を評価したところ、図7のような2段のヒステリシス曲線を観測した。この2段のヒステリシス曲線はCoFeBの感じる交換結合磁界(Hex〜850Oe)が原因となっているものであり、CoCrPtB膜とCo20Fe60B20膜がRu膜を介して反強磁性的に結合していることが確認された。   Next, when a Ru / Co20Fe60B20 film was formed on the CoCrPtB film grown on the textured Al / NiAl / Cr film and the magnetic characteristics were evaluated, a two-stage hysteresis curve as shown in FIG. 7 was observed. This two-stage hysteresis curve is caused by the exchange coupling magnetic field (Hex to 850 Oe) felt by CoFeB. The CoCrPtB film and the Co20Fe60B20 film are antiferromagnetically coupled via the Ru film. confirmed.

以上、(1)CoCrPtB膜が面内の一軸方向に配向していること、(2)CoCrPtB膜とCo20Fe60B20膜が反強磁性的に結合し積層フェリ層として機能していることが確認されたので、次に実際のスピントルク磁化反転特性を確認するため、固定層の向きが反強磁性体膜の交換結合磁界で固定されている交換バイアス型のTMR素子(図3参照)を作製し、特性を評価した。製膜後、電子線描画とイオンビームエッチングでTMR膜を50×50nmの正方形に加工し、最後に磁界中で300℃の温度で熱処理を行って測定素子とした。   As described above, it was confirmed that (1) the CoCrPtB film is aligned in the uniaxial direction in the plane, and (2) the CoCrPtB film and the Co20Fe60B20 film are antiferromagnetically coupled to function as a laminated ferri layer. Next, in order to confirm the actual spin torque magnetization reversal characteristics, an exchange-biased TMR element (see FIG. 3) in which the direction of the fixed layer is fixed by the exchange coupling magnetic field of the antiferromagnetic film is manufactured. Evaluated. After film formation, the TMR film was processed into a 50 × 50 nm square by electron beam drawing and ion beam etching, and finally heat-treated at a temperature of 300 ° C. in a magnetic field to obtain a measuring element.

次に作製した素子の電気特性を測定した。電流方向のプラスは固定層4から記録層2の方向に電流が流れる方向で、このとき固定層4と絶縁層3を介して対抗している強磁性膜21の磁化方向は、固定層4の磁化方向に対し、平行方向から反平行方向に磁化反転する。逆に電流をマイナス方向に流すと、固定層4と絶縁層3を介して対抗している強磁性膜21の磁化方向は、固定層4の磁化方向に対し、反平行方向から平行方向に磁化反転する。   Next, the electrical characteristics of the fabricated device were measured. The plus in the current direction is the direction in which current flows from the fixed layer 4 to the recording layer 2. At this time, the magnetization direction of the ferromagnetic film 21 that opposes the fixed layer 4 via the insulating layer 3 is the same as that of the fixed layer 4. The magnetization is reversed from the parallel direction to the antiparallel direction with respect to the magnetization direction. Conversely, when a current is passed in the negative direction, the magnetization direction of the ferromagnetic film 21 opposed through the fixed layer 4 and the insulating layer 3 is magnetized from the antiparallel direction to the parallel direction with respect to the magnetization direction of the fixed layer 4. Invert.

Jc0の値は、平行方向から反平行方向への磁化反転と、反平行方向から平行方向への磁化反転の両者のスピントルク磁化反転におけるJc0の相加平均である。TMR比はいずれの素子もほぼ100%であり、面積抵抗RAは約10ΩμmΛ2(平方ミクロン)となった。   The value of Jc0 is an arithmetic average of Jc0 in the spin torque magnetization reversal of both the magnetization reversal from the parallel direction to the antiparallel direction and the magnetization reversal from the antiparallel direction to the parallel direction. The TMR ratio was almost 100% for all elements, and the sheet resistance RA was about 10 ΩμmΛ2 (square micron).

次にスピントルク磁化反転の実験を行った。実験では、磁化反転に用いる電流パルスの幅を変化させて磁化反転に要する電流密度を測定し、しきい電流密度Jc0と熱安定性指数Δ=E/kBTを算出した。その結果、Jc0は1.5MA/cmΛ2(平方センチメートル)、Δ=350となり、従来10以下であったΔを大幅(30倍以上)に改善することできた。これにより、トンネル磁気抵抗効果素子の面積を従来の1/30程度に微細化することが可能となる。   Next, an experiment of spin torque magnetization reversal was performed. In the experiment, the current density required for the magnetization reversal was measured by changing the width of the current pulse used for the magnetization reversal, and the threshold current density Jc0 and the thermal stability index Δ = E / kBT were calculated. As a result, Jc0 was 1.5 MA / cmΛ2 (square centimeter) and Δ = 350, and Δ, which was 10 or less in the past, could be greatly improved (30 times or more). As a result, the area of the tunnel magnetoresistive effect element can be reduced to about 1/30 of the conventional one.

まず、Jc0が小さいのは積層フェリ構造を用いていることによる。本実施例で用いているCo20Fe60B20の飽和磁化Msは約1.0Tであり、CoCrPtBの飽和磁化Msは0.4Tであり、両者のMs・t(tは磁性層の厚さを示す)は0.1T・nmである。このように実効的な磁化量が小さいため、小さなJc0を得ることができる。   First, Jc0 is small because a laminated ferrimagnetic structure is used. The saturation magnetization Ms of Co20Fe60B20 used in this example is about 1.0T, the saturation magnetization Ms of CoCrPtB is 0.4T, and both Ms · t (t indicates the thickness of the magnetic layer) is 0. 1 T · nm. Since the effective amount of magnetization is small in this way, a small Jc0 can be obtained.

一方、大きなΔが得られた要因は、CoCrPtBの結晶磁気異方性磁界Hkuが6000Oeと極めて大きいことによる。これは、従来の軟磁性膜を用いた磁気メモリではなしえなかった結果であり、かつ、NiAl/Cr下地とイオンビームエッチングによって形成されたテクスチャーを用いてCoCrPtB膜の面内一軸配向性を実現できたことによる。   On the other hand, the reason why a large Δ is obtained is that the magnetocrystalline anisotropy magnetic field Hku of CoCrPtB is as extremely large as 6000 Oe. This is a result that could not be achieved with a conventional magnetic memory using a soft magnetic film, and the in-plane uniaxial orientation of the CoCrPtB film was realized using a NiAl / Cr underlayer and a texture formed by ion beam etching. It depends on what was done.

従来の軟磁性膜を用いたトンネル磁気抵抗効果素子では、形状磁気異方性磁界Hspによる磁気異方性を利用するため、素子の形状を長方形や楕円といった、いわゆる縦横比(アスペクト比)が1より大きい形状にする必要があった。しかし、本実施例では正方形(アスペクト比1)の形状の素子でも大きなHk、およびΔの値を実現でき、磁気メモリサイズの微細化に大きな効果がある。また、このΔの値は、たとえ素子サイズを25×25nmとしても、Δ=87.5とできるレベルの値であり、素子の一層の微細化に対しても十分対応できる値である。なお、アスペクト比が略1と言った場合には0.9〜1.1の範囲を指す。   A conventional tunnel magnetoresistive effect element using a soft magnetic film uses magnetic anisotropy due to a shape magnetic anisotropy magnetic field Hsp, so that the element has a so-called aspect ratio (aspect ratio) such as a rectangle or an ellipse. It was necessary to make it larger. However, in the present embodiment, a large Hk and Δ value can be realized even with a square (aspect ratio: 1) element, which has a great effect on miniaturization of the magnetic memory size. Further, the value of Δ is a value at which Δ = 87.5 even if the element size is 25 × 25 nm, and is a value that can sufficiently cope with further miniaturization of the element. When the aspect ratio is approximately 1, it indicates a range of 0.9 to 1.1.

本実施例では、テクスチャー付下地層の上に岩塩構造の下地層を形成したが、逆に岩塩構造の下地層の上にテクスチャ付下地層を形成してもよい。また、CoCrPtBを用いたが、これにさらにSiO2、TiO、TiO2、ZrO2、Cr2O3、CoO、Ta2O5などの酸化物を少なくとも1つ加えた場合は、酸化物の粒界への偏析により、粒界分離構造を促進させて、グラニュラー構造をさらに明確に形成することができる。   In this embodiment, the rock salt structure underlayer is formed on the textured underlayer, but conversely, the textured underlayer may be formed on the rock salt structure underlayer. In addition, CoCrPtB was used, but when at least one oxide such as SiO2, TiO, TiO2, ZrO2, Cr2O3, CoO, Ta2O5 was added to this, grain boundary separation occurred due to segregation of the oxide to the grain boundary. The structure can be promoted to form a granular structure more clearly.

グラニュラー構造とは、ナノスケールの金属微粒子が絶縁体マトリックス中に密に分散した構造であり、電気伝導は微粒子間の電子のトンネル効果により生じる。この場合は、スピントルク磁化反転をさらに円滑にすることが可能となるが、粒界分離構造を促進させすぎ、結晶粒が孤立してしまうと、結晶粒1個1個が磁化反転体積単位となるのでΔが減少してしまう。酸化物の添加は、通常の磁気記録媒体作製のときにくらべ少ない量、例えば、CoCrPtBに対して数%以下とすることが望ましい。   The granular structure is a structure in which nanoscale metal fine particles are densely dispersed in an insulator matrix, and electric conduction is caused by an electron tunnel effect between the fine particles. In this case, the spin torque magnetization reversal can be further smoothed. However, if the grain boundary separation structure is promoted too much and the crystal grains are isolated, each crystal grain becomes a magnetization reversal volume unit. As a result, Δ decreases. It is desirable that the oxide be added in an amount smaller than that in normal magnetic recording medium production, for example, several percent or less with respect to CoCrPtB.

以上、本実施例によれば、記録電流密度が小さく、熱安定性に優れ、微細化に好適な磁気メモリを提供することができる。   As described above, according to this embodiment, a magnetic memory having a small recording current density, excellent thermal stability, and suitable for miniaturization can be provided.

次に、第2の実施例について図8を用いて説明する。なお、実施例1に記載され、本実施例に未記載の事項は実施例1と同様である。   Next, a second embodiment will be described with reference to FIG. The matters described in the first embodiment and not described in the present embodiment are the same as those in the first embodiment.

図8はメモリ回路の一例を示す。図8において符号1はビット線、符号81は実施例1に記載されたTMR素子であり、符号7はソース線、符号6はセル選択トランジスタ、符号82はワード線、符号87は一つのメモリセル、符合101−1、101−2、101−2’は書込みドライバー、符号102−1,102−2は抵抗制御ドライバー、符号103はセンスアンプを表す。符号83と符号85はビット線に流す電流の大きさを制御する抵抗変化素子(この例の場合はトランジスタ)、符号84と符号86は抵抗変化素子83と85の伝導状態を制御する抵抗制御用のワード線である。選択トランジスタ6としては電界効果型トランジスタを用いた。   FIG. 8 shows an example of a memory circuit. In FIG. 8, reference numeral 1 denotes a bit line, reference numeral 81 denotes the TMR element described in the first embodiment, reference numeral 7 denotes a source line, reference numeral 6 denotes a cell selection transistor, reference numeral 82 denotes a word line, and reference numeral 87 denotes one memory cell. Reference numerals 101-1, 101-2, and 101-2 'denote write drivers, reference numerals 102-1 and 102-2 denote resistance control drivers, and reference numeral 103 denotes a sense amplifier. Reference numerals 83 and 85 are resistance change elements (transistors in this example) for controlling the magnitude of the current flowing through the bit line, and reference numerals 84 and 86 are resistance control elements for controlling the conduction state of the resistance change elements 83 and 85. This is a word line. A field effect transistor was used as the selection transistor 6.

本構成の場合の書込みは、例えばメモリセル87への書き込みを行う場合、まず、電流を流したいビット線1に接続された書き込みドライバーにライトイネーブル信号を送って昇圧し、次に抵抗制御ドライバーの電圧を制御して、ビット線1に所定の電流を流す。電流の向きに応じ、抵抗変化素子83に接続されている書き込みドライバーないし、抵抗変化素子85に接続されている書き込みドライバーのいずれかをグランドに落として、電位差を調節して電流方向を制御する。   In the case of writing in this configuration, for example, when writing to the memory cell 87, first, the write enable signal is sent to the write driver connected to the bit line 1 through which a current is desired to be boosted, and then the resistance control driver A predetermined current is passed through the bit line 1 by controlling the voltage. Depending on the direction of the current, either the write driver connected to the resistance change element 83 or the write driver connected to the resistance change element 85 is dropped to the ground, and the current direction is controlled by adjusting the potential difference.

次に所定時間経過後、ワード線に接続された書き込みドライバーにライトイネーブル信号を送り、書き込みドライバーを昇圧して、選択トランジスタ6をオンにする。これによりTMR素子に電流が流れ、スピントルク磁化反転が行われる。所定の時間、選択トランジスタ6をオンにしたのち、書込みドライバーへの信号を切断し、選択トランジスタ6をオフにする。   Next, after a predetermined time has elapsed, a write enable signal is sent to the write driver connected to the word line, the write driver is boosted, and the selection transistor 6 is turned on. As a result, a current flows through the TMR element, and spin torque magnetization reversal is performed. After the selection transistor 6 is turned on for a predetermined time, the signal to the write driver is disconnected and the selection transistor 6 is turned off.

読出しの際は、読出したいメモリセルにつながったビット線1のみを読出し電圧Vに昇圧し、選択トランジスタ6につながっているソース線のみを他方の書込みドライバーで選択してトランジスタ6をオンにして電流を流し、TMR素子の抵抗の両端にかかる電圧差をセンスアンプで増幅することで、読出しを行う。   At the time of reading, only the bit line 1 connected to the memory cell to be read is boosted to the read voltage V, only the source line connected to the selection transistor 6 is selected by the other write driver, the transistor 6 is turned on and the current is turned on. The voltage difference applied to both ends of the resistance of the TMR element is amplified by the sense amplifier, and reading is performed.

この場合、読出し時の電流方向は、つねにソース線7からビット線1の方向になるようにする。これによって読出し電流による誤書込みを減らし、より大きな読出し電流を流すことが可能として、高速の読み出しが可能とする。この構造は最も単純な1トランジスタ+1メモリセルの配置なので、単位セルの占める面積は2F×4F=8F∧2と高集積なものにすることができる。   In this case, the current direction at the time of reading is always from the source line 7 to the bit line 1. This reduces erroneous writing due to the read current and allows a larger read current to flow, thereby enabling high-speed reading. Since this structure is the simplest arrangement of 1 transistor + 1 memory cell, the area occupied by the unit cell can be made highly integrated as 2F × 4F = 8F∧2.

以上、本実施例によれば、記録電流密度が小さく、熱安定性に優れ、微細化に好適な磁気メモリを提供することができる。また、磁気メモリ回路を提供することができる。   As described above, according to this embodiment, a magnetic memory having a small recording current density, excellent thermal stability, and suitable for miniaturization can be provided. In addition, a magnetic memory circuit can be provided.

1…ビット線、2…記録層、3…障壁層、4…固定層、5…ゲート電極、6…選択トランジスタ、7…ソース線、8…電流方向、9…電子が移動する方向、21…硬磁性層、22…非磁性層、23…軟磁性層、41…軟磁性層、42…非磁性層、43…軟磁性層、81…TMR素子、82…ワード線、83、85…抵抗制御素子、84、86…抵抗制御素子制御用ワード線、87…メモリセル、101−1、101−2、101−2’…書込みドライバー、102−1、102−2…抵抗制御ドライバー、103…センスアンプ、210,230…強磁性層、220…非磁性層、301…下部電極層、302…テクスチャー下地層、303…下地層、304…反強磁性層、305…キャップ層。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Bit line, 2 ... Recording layer, 3 ... Barrier layer, 4 ... Fixed layer, 5 ... Gate electrode, 6 ... Selection transistor, 7 ... Source line, 8 ... Current direction, 9 ... Direction where electron moves, 21 ... Hard magnetic layer, 22 ... nonmagnetic layer, 23 ... soft magnetic layer, 41 ... soft magnetic layer, 42 ... nonmagnetic layer, 43 ... soft magnetic layer, 81 ... TMR element, 82 ... word line, 83, 85 ... resistance control Element, 84, 86 ... Resistance control element control word line, 87 ... Memory cell, 101-1, 101-2, 101-2 '... Write driver, 102-1, 102-2 ... Resistance control driver, 103 ... Sense Amplifiers 210, 230 ... ferromagnetic layer, 220 ... nonmagnetic layer, 301 ... lower electrode layer, 302 ... texture underlayer, 303 ... underlayer, 304 ... antiferromagnetic layer, 305 ... cap layer.

Claims (10)

選択トランジスタと、前記選択トランジスタの一端に接続されたトンネル磁気抵抗効果素子とを複数含む磁気メモリであって、
前記トンネル磁気抵抗効果素子は、
一方向に周期的なテクスチャーを有する第1の下地層と、
前記第1の下地層の上に形成され、岩塩構造に配向した第2の下地層と、
前記第2の下地層の上に形成され、hcp(1010)方向に配向したCo基合金を主成分とする硬磁性層と、前記硬磁性層の上に形成された非磁性層と、前記非磁性層の上に形成された軟磁性層とを有する積層フェリ記録層と、
前記積層フェリ記録層の上に形成された障壁層と、
前記障壁層の上に形成された強磁性固定層と、を有し、
前記積層フェリ記録層を構成する前記Co基合金を主成分とする前記硬磁性層と前記軟磁性層とは反強磁性的に結合していることを特徴とする磁気メモリ。
A magnetic memory including a selection transistor and a plurality of tunneling magneto-resistance effect elements connected to one end of the selection transistor,
The tunnel magnetoresistive element is
A first underlayer having a periodic texture in one direction;
A second underlayer formed on the first underlayer and oriented in a rock salt structure;
A hard magnetic layer mainly formed of a Co-based alloy oriented in the hcp (1010) direction; a nonmagnetic layer formed on the hard magnetic layer; A laminated ferri-recording layer having a soft magnetic layer formed on the magnetic layer;
A barrier layer formed on the laminated ferri-recording layer;
A ferromagnetic pinned layer formed on the barrier layer,
A magnetic memory, wherein the hard magnetic layer mainly comprising the Co-based alloy constituting the laminated ferri recording layer and the soft magnetic layer are antiferromagnetically coupled.
請求項1記載の磁気メモリにおいて、
前記固定層の磁化は、前記固定層上に接触して設けられた反強磁性層からの交換結合力で固定されていることを特徴とする磁気メモリ。
The magnetic memory according to claim 1.
The magnetic memory according to claim 1, wherein the magnetization of the fixed layer is fixed by an exchange coupling force from an antiferromagnetic layer provided in contact with the fixed layer.
請求項1又は2記載の磁気メモリにおいて、
前記固定層は、非磁性の中間層を挟んだ第1及び第2の強磁性層で構成され、前記第1及び第2の強磁性層は互いに、反強磁性的に交換結合していることを特徴する磁気メモリ。
The magnetic memory according to claim 1 or 2,
The pinned layer includes first and second ferromagnetic layers sandwiching a nonmagnetic intermediate layer, and the first and second ferromagnetic layers are antiferromagnetically exchange-coupled to each other. Features magnetic memory.
請求項1乃至3のいずれか1項に記載の磁気メモリにおいて、
前記Co基合金は、少なくともCoとPtとCrとを含む材料からなる合金であることを特徴とする磁気メモリ。
The magnetic memory according to any one of claims 1 to 3,
The magnetic memory according to claim 1, wherein the Co-based alloy is an alloy made of a material containing at least Co, Pt, and Cr.
請求項4記載の磁気メモリにおいて、
前記Co基合金は、添加物として少なくともSiO2、TiO、TiO2、ZrO2、Cr2O3、CoO、Ta2O5のいずれか一者を含むことを特徴とする磁気メモリ。
The magnetic memory according to claim 4.
The Co-based alloy includes at least one of SiO2, TiO, TiO2, ZrO2, Cr2O3, CoO, and Ta2O5 as an additive.
請求項1乃至5のいずれか1項に記載の磁気メモリにおいて、
前記固定層はCoFeBを、前記障壁層はMgOを、前記積層フェリ記録層を構成する前記軟磁性層はCoFeBをそれぞれ主成分とすることを特徴とする磁気メモリ。
The magnetic memory according to any one of claims 1 to 5,
The magnetic memory characterized in that the fixed layer is mainly composed of CoFeB, the barrier layer is composed of MgO, and the soft magnetic layer constituting the laminated ferri-recording layer is mainly composed of CoFeB.
請求項1乃至6のいずれか1項に記載の磁気メモリにおいて、
前記積層フェリ記録層の記録層面内方向の縦横比が略1であることを特徴とする磁気メモリ。
The magnetic memory according to any one of claims 1 to 6,
2. A magnetic memory according to claim 1, wherein an aspect ratio of the laminated ferri recording layer in the in-plane direction of the recording layer is approximately 1.
請求項1乃至7のいずれか1項に記載の磁気メモリにおいて、
前記選択トランジスタは電界効果型トランジスタであることを特徴とする磁気メモリ。
The magnetic memory according to any one of claims 1 to 7,
The magnetic memory according to claim 1, wherein the selection transistor is a field effect transistor.
請求項1乃至8のいずれか1項に記載の磁気メモリにおいて、
前記トンネル磁気抵抗効果素子に接続されていない前記選択トランジスタの他端が接続されたソース線と、
前記ソース線に接続された第一の書込みドライバー回路と、
前記選択トランジスタに接続されていない前記トンネル磁気抵抗効果素子の他端が接続されたビット線と、
前記ビット線に接続された、読出し信号を増幅するアンプ及び第二の書込みドライバー回路と、
前記選択トランジスタの抵抗を制御するワード線と、
前記ワード線が接続された第三の書込みドライバーと、を更に有することを特徴とする磁気メモリ。
The magnetic memory according to any one of claims 1 to 8,
A source line to which the other end of the selection transistor not connected to the tunnel magnetoresistive element is connected;
A first write driver circuit connected to the source line;
A bit line to which the other end of the tunnel magnetoresistive element not connected to the selection transistor is connected;
An amplifier for amplifying a read signal and a second write driver circuit connected to the bit line;
A word line for controlling the resistance of the selection transistor;
And a third write driver to which the word line is connected.
請求項1乃至9のいずれか1項に記載の磁気メモリにおいて、
第1の下地層は前記第2の下地層の上に形成されており、
前記硬磁性層は前記第1の下地層の上に形成されていることを特徴とする磁気メモリ。
The magnetic memory according to any one of claims 1 to 9,
The first underlayer is formed on the second underlayer,
The magnetic memory, wherein the hard magnetic layer is formed on the first underlayer.
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