201034180 六、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於記憶元件。 【先前技術】 以往利用隧道磁性組抗效果(Tunneling Magneto Resistance Effect)的元件係利用於 MRAM( Magnetic φ Random Access Memory)等之非揮發性記億體,或HDD (Hard Disk Drive)之讀取頭等。 圖5之符號110乃顯示以往技術之記憶元件。記憶元 件110係具有固定磁化方向(磁力的方向)之固定層115 ,和較固定層115保磁力爲小之自由層112,和配置於固 定層115與自由層112之間的絕緣層119。 當使超過自由層112之保磁力的外部磁場產生時,朝 向自由層112之外部磁場的方向。在固定固定層115之磁 φ 化方向之範圍中,自由層112之磁化方向係有著與固定層 115之磁化方向相同情況,和成爲與固定層115之磁化方 向相反方向之情況之雙方。 對於配置有記憶元件110之固定層115側的面上,和 配置有自由層112側的面上,配置有第一,第二之電極 121,122。當絕緣層119的膜厚爲薄,於第一,第二之電 極121,122間施加電壓時,經由隧道效果,通過夾持於 固定層115與自由層112之間的絕緣層119,於各膜之層 積,垂直地流動有隧道電流。 -5- 201034180 記憶元件1 1 〇之隧道阻抗係於自由層11 2之磁化方向 與固定層115之磁化方向相同情況爲小,而自由層112之 磁化方向與固定層115之磁化方向乃相反地情況爲大。隨 之,由改變自由層112之磁化方向者而記憶資訊,經由於 第一,第二之電極121,122間,使感應電流流動之時, 可讀取資訊者。 [專利文獻1]日本特開平7-282466號公報 [專利文獻2]日本特許第2872495號公報 【發明內容】 [發明欲解決之課題] 自由層112之磁化方向係因有二種之故,以往係對於 1個記憶元件而言,只能記憶「0」或「1」之二種資料, 對於爲了增加記憶媒體之記憶容量,係必須增加記憶元件 之個數(密度)。對於爲了增加記憶元件之密度,係必須 將記憶元件做爲細微化,但對於記憶元件之細微化係有界 限。 [爲解決課題之手段] 爲了解決上述課題,本發明係一種記憶元件,屬於將 絕緣層,以具有磁性的二層之電極夾持,於前述電極間, 流動有隧道電流時,對於前述電極間,係將於二層之前述 電極的磁化方向乃朝向相同方向之情況,使磁化同方向阻 抗値產生,而於朝向相反方向之情況,使較前述磁化同方 -6- 201034180 向阻抗値爲大之磁化相反方向阻抗値產生之穿隧磁阻元件 ,連接成二個串聯而形成串聯連接電路,經由前述串聯連 接電路之阻抗値的大小而記憶三以上的値之記億元件,其 特徵乃在同一之穿隧磁阻元件的內部中,前述電極係從弱 保磁力之磁性層,和較前述弱保磁力爲強之中保磁力的磁 性層,和較前述中保磁力爲強之強保磁力的磁性層之中, 保磁力乃呈不同地進行選擇,在前述二個之穿隧磁阻元件 φ 中,一方的穿隧磁阻元件之磁性層的保磁力之組合,和另 一方的穿隧磁阻元件之磁性層的保磁力之組合乃呈不同地 做爲,前述各穿隧磁阻元件之電極係相互加以磁化於同一 方向或相反方向之記憶元件。 另外,本發明之記憶元件,其中,前述一方之穿隧磁 阻元件係由前述強保磁力之磁性層與前述中保磁力之磁性 層而夾持前述絕緣層,另一方之前述穿隧磁阻元件係由前 述強保磁力之磁性層與前述弱保磁力之磁性層而夾持前述 _ 絕緣層。 另外,本發明之記憶元件,其中,前述一方之穿隧磁 阻元件之前述強保磁力之磁性層,前述另一方之穿隧磁阻 元件之前述強保磁力之磁性層係加以離間配置者。 另外,本發明之記憶元件,其中,前述一方之穿隧磁 阻元件係由前述中保磁力之磁性層與前術弱保磁力之磁性 層而夾持前述絕緣層,另一方之前述穿隧磁阻元件係由前 述中保磁力之磁性層與前述弱保磁力之磁性層之中任一方 之磁性層和前述強保磁力之磁性層加以夾者。 201034180 另外,本發明之記憶元件,其中,由前述一方之穿隊 磁阻元件之前述中保磁力之磁性層與前述弱保磁力之&性 層而夾持前述絕緣層,構成另一方之前述穿隧磁阻兀件者 0 另外,本發明之記憶元件,其中,層積前述一方之穿 隧磁阻元件與前述另一方之穿隧磁阻元件者。 另外,本發明係一種上述任一記載之記憶元件,其中 ,前述各磁性層之磁化方向係朝向於與前述磁性層的表面 平行之方向的水平磁化記憶方式之記憶元件。 另外,本發明之記億元件,其中,對於前述強保磁力 的磁性層係緊靠有反強磁性層者。 另外,本發明係一種上述任一記載之記憶元件,其中 ,前述各磁性層之磁化方向係朝向於與前述磁性層的膜厚 方向平行之方向的垂直磁化記憶方式之記憶元件。 另外,本發明之記憶元件,其中,前述強保磁力之磁 性層係較前述中保磁力之磁性層膜厚爲厚,前述中保磁力 之磁性層係較前述弱保磁力之磁性層膜厚爲厚者。 另外,本發明之記憶元件,其中,從前述一方之穿隧 磁阻元件之前述磁化相反方向阻抗値扣除前述磁化同方向 阻抗値的値,和從前述另一方之穿隧磁阻元件之前述磁化 相反方向阻抗値扣除前述磁化同方向阻抗値的値乃呈成爲 不同大小地加以形成。 另外’本發明係一種記憶方法,屬於使用上述任一之 記憶元件而記億第一’第二’第三的値之記憶方法,其特 -8 - 201034180 徵乃爲了記憶前述第一的値,在加以串聯連接之前述穿隧 磁阻元件之中,雙方之前述穿隧磁阻元件乃呈顯示前述磁 化同方向阻抗値地,將前述磁性層之磁化方向作爲同方向 ,而爲了記憶前述第二的値,雙方之前述穿隧磁阻元件乃 呈顯示前述磁化相反方向阻抗値地,將前述磁性層之磁化 方向作爲各朝向相反方向,而爲了記憶前述第三的値,任 一方之前述穿隧磁阻元件乃呈顯示前述磁化同方向阻抗値 • 地,將前述磁性層之磁化方向作爲朝向同方向,另一方之 前述穿隧磁阻元件之前述磁性層之磁化方向作爲朝向相反 方向的記憶方法。 另外,本發明係一種記憶方法,屬於測定前述串聯連 接電路之阻抗値,讀取從前述阻抗値所記憶的値之記憶方 法,其特徵乃測定前述記憶元件之阻抗値而與基準値做比 較,將雙方之前述穿隧磁阻元件之阻抗値乃判別爲前述磁 化同方向阻抗値之情況作爲前述第一的値,將雙方之前述 • 穿隧磁阻元件之阻抗値乃判別爲前述磁化相反方向阻抗値 之情況作爲前述第二的値,將一方之前述穿隧磁阻元件乃 判別爲前述磁化同方向阻抗値,另一方之前述穿隧磁阻元 件乃判別爲前述磁化相反方向阻抗値之情況作爲前述第三 的値之記憶方法。 另外,本發明係一種記憶方法,屬於使用上述記憶元 件而記憶第一,第二,第三,第四的値之記憶方法,其特 徵乃爲了記憶前述第一的値,在加以串聯連接之前述穿隧 磁阻元件之中,雙方之前述穿隧磁阻元件乃呈顯示前述磁 -9- 201034180 化同方向阻抗値地,將前述磁性層之磁化方向作爲同方向 ,而爲了記億前述第二的値,雙方之前述穿隧磁阻元件乃 呈顯示前述磁化相反方向阻抗値地,將前述磁性層之磁化 方向作爲各朝向相反方向,而爲了記憶前述第三的値,任 一方之前述穿隧磁阻元件乃呈顯示前述磁化同方向阻抗値 地,將前述磁性層之磁化方向作爲朝向同方向,另一方之 前述穿隧磁阻元件之前述磁性層之磁化方向作爲朝向相反 方向,而爲了記憶前述第四的値,前述另一方之穿隧磁阻 元件乃呈顯示前述磁化同方向阻抗値地,將前述磁性層之 磁化方向作爲朝向同方向,前述一方之穿隧磁阻元件之前 述磁性層之磁化方向作爲朝向相反方向的記憶方法。 另外,本發明係一種記憶方法,屬於測定前述串聯連 接電路之阻抗値,讀取從前述阻抗値所記憶的値之記憶方 法,其特徵乃測定前述記憶元件之阻抗値而與基準値做比 較,將雙方之前述穿隧磁阻元件之阻抗値乃判別爲前述磁 化同方向阻抗値之情況作爲前述第一的値,將雙方之前述 穿隧磁阻元件之阻抗値乃判別爲前述磁化相反方向阻抗値 之情況作爲前述第二的値,將前述一方之穿隧磁阻元件乃 判別爲前述磁化同方向阻抗値,前述另一方之穿隧磁阻元 件乃判別爲前述磁化相反方向阻抗値之情況作爲前述第三 的値’將前述一方之穿隧磁阻元件乃判別爲前述磁化同方 向阻抗値’前述另一方之穿隧磁阻元件乃判別爲前述磁化 相反方向阻抗値之情況作爲前述第四的値之記憶方法。 本發明係如上述所構成,使用弱保磁力之磁性層,和 -10- 201034180 較弱保磁力保磁力爲強之中保磁力的磁性層,和較中保磁 力之磁性層保磁力爲強之強磁性層之三種類的磁性層,一 般將強保磁力之磁性層稱作固定層,作爲呈未施加使強保 磁力之磁化方向變化之強度的外部磁場。 在本發明中,將中保磁力或弱保磁力之任一方的磁性 層稱作第一之自由層,另一方之磁性層稱作第二之自由層 〇 磁性層係具有導電性,由絕緣膜,和絕緣膜之背面側 的磁性層與背面側之磁性層而形成穿隧磁阻元件,串聯連 接二個穿隧磁阻元件時,其串聯連接電路之磁性阻抗値係 成爲二個之穿隧磁阻Q丨、Q2之合計値。 磁性層之磁化方向係有平行於磁性層表面之方向的水 平磁化記憶方式,和與磁性層之膜厚方向平行之方向(此 係與磁性層表面垂直之方向)之垂直磁化記憶方式之二種 〇 在穿隧磁阻元件中,在水平磁化與垂直磁化之任一情 況,均知道相同穿隧磁阻元件內之二片的電極之磁化方向 乃相反方向時之情況,較同方向時阻抗値爲大者。 將同方向時作爲、Q2 = R2,將相反方向時作爲 Qi=Ri + Δ Ri ' Q2 = R2 + Δ R2 0#,經由二個之穿隧磁阻元 件內之磁性層的方向,串聯阻抗Q1 + Q2係取得在
Ri + R?、Ri + R? + 八Ri、Ri+R2+Z\R>2、Ri+Ra+^Ri+△&…(1) -11 - 201034180 之四個式所示情況之中任一情況的値。 如△ h與△ R2的大小爲不同,串聯阻抗Q, + Q2係因 取得四種類之不同的値之故,如可區別Ri+R2+ARi與 R i + R2 + △ R2的大小,經由穿隧磁阻元件之阻抗値,可 顯四種類的値者。 此情況,對於爲了區別串聯阻抗之阻抗値乃爲四個式 之任一,係使用三種類的値之基準値Rreh〜Rref3,作爲 △ R! < △ R2時,基準値Rref!〜Rref3係對於串聯阻抗Q, + Q2而言,選擇如下述之關係的値。
Ri + R2 < Rrefi < Ri + R2 + ARi < Rref2 < Ri + R2 + AR2 < Rref3 < Ri + R2 + ARi + AR2 …(2) 隨之,當比較所測定之串聯阻抗1+Q2係與基準値 Rrefi〜Rref3時,可區別由二個之穿隧磁阻元件所形成之 記憶元件的四種類形態者。 @ 未區別尺1+1^+八1^與Ri+R2+AR2之大小的情況 係由區別Ri + R2之大小,和RI + R2 + △ R!或R! + R2 + △ R2之大小,和Ri + R2 + △ Ri + △ R2之大小者,可顯示 三種類的値,而將基準値作爲Rrefa、Rrefb,作爲△ L < △ R2時,將基準値Rrefa、Rrefb係對於串聯阻抗h + Q2 而言,選擇如下述之關係的値。
Ri +R2<Rrefa<Ri +R_2 + Z\Ri<Ri +R2 + AR2<Rrefb<Ri +R2 + Z\Ri + ΔΙ12... (3) -12- 201034180 對於於作爲串聯連接之二個穿隧磁阻元件,施加相同 外部磁場,實現上述(1 )式中的四式之阻抗値的組合, 係從強保磁力,中保磁力,弱保磁力的三種類,選擇二種 不同保磁力的磁性層而形成穿隧磁阻之情況,經由較弱保 磁力爲強,且較中保磁力爲弱,由未使中保磁力及強保磁 力之磁性層的磁化方向反轉而可使弱保磁力之磁性層的磁 φ 化方向反轉的弱外部磁場,和較中保磁力爲強,較強保磁 力爲弱,由未使強保磁力之磁性層的磁化方向反轉而可使 弱保磁力與中保磁力之磁性層的磁化方向反轉的強外部磁 場任一之外部磁場,可使穿隧磁阻元件的單方之磁性層的 磁化方向反轉者。 由弱保磁力之磁性層與中保磁力之磁性層而形成穿隧 磁阻元件之情況,經由強外部磁場,可將雙方之磁性層的 磁化方向作爲與外部磁場相同方向者。 • 如此,在本發明中,由流動電流於位於磁性材料附近 之配線者,使外部磁場產生,其外部磁場乃使磁性層的磁 化方向變化之方式,或可使用使磁鐵接近於記憶元件而磁 石所產生之外部磁場,使磁性層的磁化方向變化之磁性阻 抗元件。 但在使用外部磁場之方法中,磁鐵乃不適合微小之記 憶元件,經由電流而使外部磁場產生之情況係圖案越小, 越需大電流,另外對於接近之其他磁性層亦帶來影響。 磁性層之中的電子係於與磁化方向相同方向,匯集在 -13- 201034180 旋轉的方向,但於其磁性層,流動匯集於旋轉與磁化方向 逆方向之電流時’所注入之電子與磁性層中之電子乃引起 相互作用,磁性層中的電子乃震動於與旋轉垂直方向。其 振幅乃當變大成一定以上時,旋轉的方向則同時產生反轉 〇 在本發明中,除磁鐵所產生之外部磁場或流動電流而 使其產生之外部磁場其他,亦可使用於如上述之磁性層, 由將電子旋轉方向偏移之電流流動於磁性材料者,使材料 之磁化方向變化之旋轉注入磁化反轉方法者。 此情況,取代弱外部磁場或強外部磁場,使用可使弱 保磁力之磁性層的磁化方向反轉,但無法使中保磁力及強 保磁力之磁性層的磁化方向反轉的弱旋轉注入電流,和無 法使強保磁力之磁性層的磁化方向反轉,但可使弱保磁力 及中保磁力之磁性層的磁化方向反轉的強旋轉注入電流, 可得到三値,四値之記億元件或記憶方法者。 在二個穿隧磁阻元件之中,一方的穿隧磁阻元件之磁 性層的保磁力之組合,和另—方的穿隧磁阻元件之磁性層 的保磁力之組合不同時,串聯阻抗的値係經由磁性層的磁 化方向之趨向,可以上述(1)式中之四式之中任—式而 算出。 三値之情況係了解到從(3)式,亦可將ARi與ARz 作爲相等(。 四値之情況係了解到從(2 )式’必須將△ R 1與△ R2 作爲不相等(△ Ri关△ R2 ) ° -14 - 201034180 [發明之效果] 由使用強保磁力之磁性層,和中保磁力之磁性層, 弱保磁力之磁性層者,可得到三値或四値之記憶元件》 隨之,即使未增加記憶元件之密度,亦可較二値之 憶媒體增加記憶容量者。 • 【實施方式】 圖1之符號10乃顯示本發明第一例的記憶元件, 2之符號30乃顯示本發明第二例的記憶元件。記憶元 10,30係具有第一,第二之電極47,48,和配置於第 ,第二之電極47,48間的磁場固定構件20,40。 磁場固定構件20,40係具有一或二以上之固定磁 方向的層之固定層21-23。第一例之記憶元件10係固 層21,22的數量乃複數(在此係爲二個),固定層( φ —,第二之固定層)21,22係具有反強磁性層25,26 和配置於反強磁性層25,26之單面的強磁性層41,42 第二例之記憶元件30係固定層23的數量乃一個, 定層23係具有反強磁性層27,和配置於反強磁性層 之表面及背面的強磁性層43,44。 第一例,第二例之記憶元件1 0,20係雙方強磁性 41-44的數量係爲二以上(在此係爲二個),各強磁性 41〜44係經由與反強磁性層25〜27加以層積之時,固 N極與S極之方向的磁化方向。對於強磁性層41~44之 和 記 圖 件 化 定 第 固 27 層 層 定 表 -15- 201034180 面上,係配置藉由絕緣層13’14(隧道障壁),而由磁 性材料所成,磁化方向可變更之第一’第二之自由層Η ,12 » 在第一例之記憶元件10中,第一,第二之固定層21 ,22乃將反強磁性層25,26朝向外側(第一,第二之電 極4 7,4 8側),將強磁性層4 1,4 2朝向內側加以配置, 第一,第二之自由層11,12係位置於第一,第二之固定 層21,22之間。對於第一,第二之自由層11,12間係配 置有由非磁性金靥所成之隔壁保護膜19。 在此,爲了作成本記憶元件之層積構造係並不只限定 於此,例如亦可將圖1之反強磁性層26,和強磁性層42 ,和絕緣層13,和第二之自由層12之層積構造,藉由隔 壁保護膜19而單純作爲重疊。即,依反強磁性層26、強 磁性層42、絕緣層13、自由層、隔壁保護膜19、反強磁 性層26、強磁性層42、絕緣層13、自由層…的順序進行 層積亦可。 在第二例之記憶元件30中,第一,第二之自由層11 ,12係藉由絕緣層14,13,一方乃位置於固定層23之表 面上,而另一方乃位置於背面上。 任一之記憶元件10,30均,第一,第二之自由層11 ,12係與反強磁性層25〜27接觸而未加以配置,而因於 第_,第二之自由層11,12與反強磁性層25〜27之間有 著強磁性層41〜44之故,未固定有第一,第二之自由層 11,12之磁化方向,隨之,第一,第二之自由層11,12 -16- 201034180 係經由超過保磁力之外部磁場,磁化方向乃成爲可變更。 圖3 ( a )〜(d )乃模式性地顯示強磁性層4 1〜44之 磁化方向F。,和第一,第二之自由層11,12之磁化方向 F 1,F 2的剖面圖。 其圖3(a)〜(d)及後述之各圖中之箭頭方向係顯 示磁化方向。 第一例之記憶元件1 〇內之強磁性層4 1,42的磁化方 φ 向F〇係相互相同,另外,第二例之記憶元件20內之強磁 性層43,44的磁化方向F〇亦相互相同,以右方向的箭頭 所示。 記憶元件10,30之各層11〜14、16、17、19、25〜 27乃對於各強磁性層41~44之磁化方向F〇而言,磁化於 平行之方向,第一,第二之自由層11,12之磁化方向F! ,F2係與強磁性層41〜44之磁化方向F〇平行,成爲與強 磁性層41~44之磁化方向F〇相同方向,或相反方向。 φ 第一之自由層11之保磁力(第一之保磁力)係較第 二之自由層12之保磁力(第二之保磁力)爲大,呈在較 第一之自由層11之磁化方向F,,第二之自由層12之磁 化方向F2爲弱之外部磁場方向產生變化。 圖3(a)乃顯示強磁性層41〜44與和第一,第二之 自由層11,12之磁化方向F〇,Fi,F2乃相同情況。 將圖3 ( a )之狀態的記憶元件1 0,3 0,在與強磁性 層41〜44之磁化方向F。相反方向,暴露於相當於第二之 保磁力以上未達第一之保磁力的外部磁場Hr時,第二之 -17- 201034180 自由層12之磁化方向F2爲乃對於強磁性層41 ~44之磁化 方向F〇而言成爲相反方向,但第一之自由層11之磁化方 向?!係無變化。將其狀態示於圖3(b)。 將圖3(a)或圖3(b)之狀態的記憶元件10’ 30’ 在與強磁性層41~44之磁化方向Fc相反方向,暴露於相 當於第一之保磁力以上的外部磁場Hr時,第一’第二之 自由層11,12之雙方的磁化方向爲乃成爲與強磁 性層41〜44之磁化方向F〇相反方向。將其狀態示於圖3 (c ) ° 將圖3 ( c )之狀態的記憶元件1 0,3 0,在與強磁性 層41〜44之磁化方向FQ相同方向,暴露於相當於第二之 保磁力以上未達第一之保磁力的外部磁場Hr時,第二之 自由層12之磁化方向F2爲乃變化成與強磁性層41 ~44之 磁化方向F〇相同方向,但第一之自由層11之磁化方向Fi 係無變化。將其狀態示於圖3(d)。 更且,將圖3©或圖3(d)之狀態的記憶元件1〇,30 ,在與強磁性層41 ~44之磁化方向F〇相同方向,暴露於 相當於第一之保磁力以上的外部磁場Hr時,成爲圖3 (a )所示之狀態。如此,自由層(11,12)的數量乃二個之 情況係磁化方向F。、Fi、F2乃成爲4種之組合。 第一,第二之電極47,48係對於記憶元件1〇,3〇之 各層 11〜14、 16、 17、 19、 25〜27、 41〜44而言’如圖 示地加以配置,當於第一,第二之電極47,48間施加電 壓時,對於各層 11〜14、16、17、19、25〜27、41〜44 -18- 201034180 而言,於垂直方向流動有電流。 此時,夾持絕緣層14,13而鄰接之強磁性層41 ~44 與自由層11,12之間的隧道阻抗係於強磁性層(41 ~44) 與自由層(11,12)之磁化方向Fo'Fi'Fa乃相同之情 況而成爲最小,於相反之情況而成爲最大。 隨之,第一,第二之自由層 11,12與強磁性層 41~44之磁化方向F〇、F!、F2乃相同之情況,記憶元件 φ 10,30之隧道阻抗(第一,第二之電極47,48之電阻) 乃成爲最小値R (圖3 ( a ))。 將接觸於絕緣層14,13之單面的強磁性層41~44, 和接觸於相反側的面之自由層1 1,1 2之間的隧道阻抗之 最大値與最小値,在強磁性層41或44與第一之自由層 11之間係作爲第一之阻抗差AR1,在強磁性層42,43與 第二之自由層12之間係作爲第二之阻抗差AR2時,第一 ,第二之自由層11,12之磁化方向F,、F2雙方乃與強磁 # 性層41~44之磁化方向F〇相反之情況,記憶元件10,30 之隧道阻抗係成爲以R + △ R1 + △ R2所示之最大値(圖3 (c) ) ° 第一之自由層11與強磁性層41〜44之磁化方向F〇、 Fj乃相同方向,第二之自由層12與強磁性層41 ~44之磁 化方向F〇、F2乃相反方向之情況,記憶元件1〇,30之隧 道阻抗乃R+AR2,成爲最小値R與最大値R+ARl+Λ R2之間(圖3 ( b))。 另外,第二之自由層12與強磁性層41〜44之磁化方 -19- 201034180 向F2、F〇乃相同,第一之自由層11與強磁性層41〜44之 磁化方向F!、F〇乃相反方向之情況,記億元件10,30之 隧道阻抗乃R+AR1,此情況亦成爲最小値R與最大値R + Z\R1+Z\R2 之間(圖 3(d))。 隨之,如第一,第二之阻抗差AR1、AR2乃相等之 情況,以及相異之情況均第一或第二之自由層11,12之 任一磁化方向乃與強磁性層4 1〜44之磁化方向相同方向, 另一方之自由層的磁化方向乃與強磁性層41〜44之磁化方 向相反方向,記憶元件10,30之隧道阻抗乃成爲超出最 小値R,且未達最大値R + △ R1 + △ R2之間(中間値) 〇 如此,自由層的數量爲二個之情況,記億元件10, 30之隧道阻抗乃成爲加上於最大値,最小値,最大値與 最小値之間的値之中間値的3種。R + △ R1與R + △ R2乃 不同的値,如作爲可區別之第一之中間値與第二之中間値 ,而成爲4種。 例如將自由層之材料(材質)作爲不同時,△!〇與 △ R2的値乃不同,成爲4種。 接著’說明使用本發明之記憶元件的記憶裝置。圖4 乃顯示MRAM等之記憶装置1的一例的剖面圖。 記憶裝置1係具有複數條第一,第二之配線5,6, 第1之配線5係隔開特定間隔,相互平行地加以配置,第 二之配線6係在與配置第一之配線5之平面平行的平面內 ’呈與第一之配線5交叉地加以配置,在此係第一,第二 -20- 201034180 之配線5,6乃加以埋設於Si02等之絶縁層2。 在第一,第二之配線5,6交叉之位置中,第一,第 二之配線5,6係作爲離間,對於交叉部分之附近係配置 有本發明之記憶元件10或30。第一,第二之配線5,6 之交叉位置乃複數個,配置成行列狀。隨之,記億元件 1 0或3 0係配置成行列狀。 記憶元件10或30的第一,第二之電極47,48係各 φ 連接於交叉在該記憶元件10,30之附近的第一,第二之 配線5,6。 第一,第二之配線5,6係連接於控制裝置8。對於 控制裝置8,係記憶記憶元件1 0,30之位置資訊,和各 記憶元件10,30乃連接於哪個配線5,6之資訊》 第一,第二之配線5, 6係藉由控制裝置8而連接於 測定裝置9,在讀出資訊之情況,控制裝置8係選擇第一 ,第二之配線5,6而將電流流動於所期望之記憶元件1〇 • ,30,測定裝置9係測定流動有電流之記憶元件10,30 之隧道阻抗,將測定結果傳達於控制裝置8。 如上述,本發明之記憶元件10,30之隧道阻抗係成 爲最大値,最小値,中間値之3種,對於控制裝置8係至 少設定有隧道阻抗之最大値與最小値。 控制裝置8係比較測定裝置9之測定結果與所設定之 隧道阻抗的値,測定結果乃判斷爲相當於最大値,最小値 ,或最大値與最小値之間(中間値)之任一。控制裝置8 係將判斷的結果,各自關連於「〇」、「1」、「2」,作 -21 - 201034180 爲資訊而讀出。 隨之’在此記憶裝置1中,由第一,第二之配線5, 6,和控制裝置8,和測定裝置9,構成讀出資訊之讀出手 段。 接著,對於資訊之改寫進行說明,在其記億裝置1中 ,沿著第一之配線5之配線而延設有改寫配線4。第一之 配線5係因與第二之配線6交叉,故改寫配線4亦與二之 配線6交叉。 各記憶元件10,30乃在改寫配線4亦與第二之配線 6交叉的位置,配置於改寫配線4與第二之配線6之間。 改寫配線4係與記億元件10,30及第一,第二之配線5 ,6非接觸,作爲絕緣。 改寫配線4係連接於控制裝置8。對於控制裝置8係 設定有改寫配線4係及第二之配線6,和記憶元件1 0,3 0 之位置關係。 控制裝置8係在配置於配置成格子狀之改寫配線4與 第二之配線6之間中,選擇作爲目的之記憶元元件之一, 進行通電。經由通電,於改寫配線4與第二之配線6之周 圍產生磁場,改寫配線4與第二之配線6乃於交叉位置附 近產生合成磁場,對於其他的元件係未帶來磁場的影響。 隨之,在配置成行列狀之複數的記憶元件10,30之中, 唯位於選擇之配線4,6之交叉位置的記憶元件10,30乃 暴露於合成磁場。 當改變流動於改寫配線4與第二之配線6之電流的方 -22- 201034180 向或強度等之通電條件時,合成磁場之方向或強度則改變 。製作將隧道阻抗作爲最大値,最小値,中間値之各合成 磁場的通電條件係預先被要求,由控制裝置8加以設定。 控制裝置8係將欲記憶之資訊與隧道阻抗賦予關連性 ,由將隧道阻抗作爲賦予關連性的値之通電條件,流動電 流於改寫配線4與第二之配線6,於記憶元件10,30,將 所期望的記憶資訊作爲隧道阻抗而記憶。 ❹ 如此,第二之配線6,和改寫配線4,和控制裝置8 乃成爲改寫資訊之改寫手段,但改寫手段係不限於此等, 例如亦可只由改寫配線4與控制裝置8而構成改寫手段。 此情況,控制裝置8係選擇改寫配線4而進行通電,改寫 位於選擇之改寫配線4上之記憶元件1〇,30之資訊。 另外,亦可未設置改寫配線4,而由第一,第二之配 線5,6與控制裝置8構成改寫手段,此情況,控制裝置 8係選擇第一,第二之配線5,6而進行通電,在選擇之 ® 第―’第二之配線5,6之交叉位置,使合成磁場產生, 改寫該交叉位置附近之記憶元件1 0,3 0之資訊。 總之,改寫手段係具有控制裝置8與配線,經由控制 裝置8選擇配線而進行通電,改寫配線上之記憶元件10 ,30之資訊。 改寫手段係未必需要設置於記憶裝置1,由將改寫手 段(例如極微小之電磁石等之磁場形成手段)設置於記憶 裝置1之外側,於改寫需要之記憶元件10,3 0,從外部 使改寫手段接近者,進行資訊之改寫亦可。 -23- 201034180 第一,第二之自由層1 1,12之層積順序係並無特別 加以限定,但將保磁力小之第二之自由層1 2,較第一之 自由層11,接近於改寫配線4者爲佳。 以上係對於經由改寫手段所產生的磁場而改變磁化方 向Fi,F2之電流產生磁場方式,已做過說明,但本發明 並不限定於此。 自由層11,12之數量係無限定於二層。亦可設置3 層以上保磁力不同之自由層,將記憶元件10,30之隧道 _ 阻抗的値作爲4種以上,使4種以上的資訊進行記憶者。 設置3層以上自由層之情況,強磁性層的數量係至少作爲 與自由層相同,於自由層與強磁性層之間,配置絕緣層。 自由層係呈不在反強磁性層固定磁化方向地,於自由層與 反強磁性層之間配置強磁性層。 強磁性層41〜44之磁化方向係位限定於固定在反強磁 性層25〜27之情況,強磁性層41 ~44之保磁力乃如充分 成爲較第一,第二之自由層11,12之保磁力爲高,未設 © 置反強磁性層25〜27亦可。 但,通常磁性層之保磁力係對於爲數十高斯程度而言 ,對於在反強磁性層25〜27固定磁化方向之情況,保磁 力乃因上升至600高斯〜8 00高斯程度之故,在反強磁性 層25〜27固定詞話方向者乃可更加大與第一,第二之自 由層11,12之保磁力的差。 第一,第二之電極47,48之構成材料係如爲導電性 材料,並無特別加以限定,但例如爲Cu、Al、Ta、Ru等 -24- 201034180 元件之機能上,係亦可使固定層21〜23或第一,第二 之自由層11,12直接接觸於第一,第二之電極47, 48, 但將圖1,2之符號16,17所示之基底層(保護層),配 置於固定層21〜2 3及第一,第二之自由層11,12,和第 —,第二之電極47,48之間者,可保護第一,第二之自 由層11,12,另外,在多層構造之製作上爲佳。基底層 φ 1 6,1 7係未特別加以限定,但例如Ta等之金屬材料。 反強磁性層25〜27之構成材料係例如爲PtMn、irMn 等。強磁性層41〜44之構成材料係例如爲CoFeB。對於第 一,第二之自由層11,12之構成材料係保磁力乃1位數 程度不同。例如爲CoFeB,和NiFe。 將強磁性層41〜44及第一,第二之自由層11,12之 磁化方向,對於各層11〜14、16、17、19、25〜27、41 〜44而言作爲垂直之垂直磁化方式之記憶元件1〇,30亦 • 包含於本發明。 絕緣層1 3,1 4之構成材料係並未特別加以限定,但 例如可使用MgO與氧化鋁(Al2〇3 )任一方或雙方者,但 使用MgO時,因記憶元件1 〇,30之阻抗變化率變高之故 而特別理想。 在本發明之記憶元件中,例如自由層的數量乃二個, 第一之自由層11乃CoFeB層,第二之自由層12乃NiFe 層,絕緣層13 ’14乃相同厚度的層之情況,根據第一之 自由層1 1之MR比(阻抗變化率)係約1 〇〇%,根據第二 -25- 201034180 之自由層1 2之MR比(阻抗變化率)係約40%,經由以 上,對於最低阻抗狀態而言,實現約1.4倍之中間阻抗狀 態,和約2倍之高阻抗狀態,且各高阻抗狀態係經由保磁 力之不同而可進行改寫。然而,MR比係指將從最大阻抗 値減去最小阻抗値的値,以最大阻抗値進行除算的値。 在以上說明之構造中,使第一之自由層11與絕緣層 14與固定層21或23進行層積而形成第一之穿隧磁阻元 件,另外,使第二之自由層12與絕緣層13與固定層22 或23進行層積而形成第二之穿隧磁阻元件,構成記憶三 値或四値之資料的記憶元件,但二片的電極乃將絕緣膜夾 持於之間而形成穿隧磁阻元件之情況,二片之電極的磁化 方向產生變化之情況亦經由二片之電極的磁化方向之組合 ,隧道阻抗的大小乃呈成爲不同。 隨之,構成記憶三値或四値之資料的記憶元件的情況 係與上述同樣地,使固定層21或23與絕緣層13與第一 之自由層11層積而形成第一之穿隧磁阻元件之同時,使 第一之自由層11與絕緣層13與第二之自由層12層積而 形成第三之穿隧磁阻元件,經由其第一,第三之穿隧磁阻 元件而構成記憶元件亦可。 將其構造之記憶元件,以圖10之符號70顯示。在此 構造中,於第二之電極47上配置有保護層(基底層)16 ,固定層21係配置於保護層16上。 固定層21係由形成於保護層16上之反強磁性層25 ,和形成於反強磁性層2 5上之強磁性層4 1所構成。 -26- 201034180 對於強磁性層41上係依序配置有絕緣層14,第一之 自由層11,絕緣層13,第二之自由層12。對於第二之自 由層12上係層積有保護層17與第一之電極48。 對於絕緣層13,14係使用MgO薄膜’對於第一,第 二之自由層11,12係使用CoFeB之薄膜,對於強磁性層 41係將CoFe膜,和Ru膜,和CoFeB膜層積於反強磁性 層25上而加以構成。並且如後述,由MgO薄膜所成之二 層的絕緣層13,14係爲了其配向,均可形成於CoFeB層 上。對於反強磁性層25係使用PtMn薄膜。 另外,作爲其他的構造,如圖11所示,於第二之電 極47上,層積固定層22和絕緣層13和第二之自由層12 而形成第二之穿隧磁阻元件之同時,於第二之自由層12 上,使其他之絕緣層14和第一之自由層11層積而形成第 三之穿隧磁阻元件,由第一,第三之穿隧磁阻元件而構成 記憶元件8 0亦可。 總之,經由二個之穿隧磁阻元件,使三値或四値之記 憶元件構成之情況,在二個之穿隧磁阻元件之中,對於第 一之穿隧磁阻元件之一方的電極係使用強保磁力之固定層 ,對於另一方的電極係使用弱保磁力之自由層或中保磁力 之自由層而構成,且第二之穿隧磁阻元件之一方的電極係 使用強保磁力之固定層,對於另一方的電極係在弱保磁力 之自由層或中保磁力之自由層之中,組合在第一之穿隧磁 阻元件未使用之保磁力之自由層即可,更且另外,對於使 用固定層的第一之穿隧磁阻元件而延,第二之穿隧磁阻元 -27- 201034180 件係可對於一方的電極係使用弱保磁力之自由層’對於另 一方之電極係使用中保磁力之自由層而構成者。 然而,固定層21係如上述,除緊密反強磁性層25與 強磁性層41而形成之其他,亦可將固定層’以與第一’ 第二之自由層11,12同材質’較第一’第二之自由層11 ,12膜厚厚之薄膜而構成,而第一,第二之自由層11’ 12亦可將薄者作爲弱保磁力之自由層,將厚者作爲中保 磁力之自由層者。 <垂直磁化方法> 接著,對於使用垂直磁化方法之記億元件,和使用其 記憶元件的四値或三値記憶方法而加以說明。 近年發展有利用垂直磁化膜之TMR膜的開發,由未 利用採用不同材料之磁性固定層的膜構造,可得到比較高 之MR比,使用採用垂直磁化膜之穿隧磁阻效果之記憶元 件係可實現細微化之故而受到注目。 加上於採用垂直磁化方法,取代經由"〇 ” 1 ”之二値 的二進法而如可採用經由三値,四値之三進法,四進法者 ,更可對於記憶元件之積體化有很大的貢獻。 圖6所示之膜構造係以垂直磁化方法,磁化於與膜厚 方向同方向之記憶元件50,依固定磁化方向之磁場固定 構件(固定層)20,和絕緣性薄膜之第一之絕緣層13, 和磁化方向可變更之第一之自由層11,和絕緣性薄膜之 第二之絕緣層14,和磁化方向可變更之第二之自由層12 -28- 201034180 的順序,加以形成於第二之電極層47上。 隨之,串聯連接由磁場固定構件(固定層)20,與第 一之絕緣層13,與第一之自由層11所形成之穿隧磁阻元 件,和由第一之自由層11,與第二之絕緣層14,與第二 之自由層12所形成之穿隧磁阻元件。第一之自由層11之 同一薄膜乃在雙方之穿隧磁阻元件共通地加以使用。在此 磁場固定構件(固定層)20係具有磁性層,但未使用反 . 強磁性層。 磁場固定構件20,和第一之自由層11,和第二之自 由層12係經由由FePt薄膜所成之磁性層加以構成。 使磁性層,磁化於與磁性層表面平行之方向的水平磁 化之情況,使磁性層與反強磁性層接觸時,磁性層之保磁 力乃增大之故,如使用反強磁性層,容易形成固定層,但 垂直磁化之情況,使用反強磁性層而形成固定層之情況爲 困難。 • 由相同組成之磁性材料所成之磁性層的保磁力之大小 關係乃成爲與磁性層的膜厚之大小關係相等,將同一組成 的磁性層所具有之磁場的方向變更爲逆方向之情況,成爲 必須磁性層之膜厚爲厚者乃較膜厚爲薄者之磁性層爲大之 外部磁場。 隨之,以同一組成而形成強保磁力,中,弱之三種類 之磁性層的情況,膜厚乃如形成厚度厚之磁性層A,厚度 中程度之磁性層B,厚度薄之磁性層C(厚度係磁性層A >磁性層B>磁性層C)之三種類之磁性層即可。 -29 - 201034180 磁場固定構件20係磁性層的厚度乃形成較第一, 二之自由層11,12之膜厚爲厚,並將變更磁場固定構 20之磁化方向的外部磁場的大小,作爲較變更第一, 二之自由層11,12之磁化方向的外部磁場的大小爲大。 另外,在第一,第二之自由層11,12之中,任一 之自由層的膜厚乃較另一方之自由層的膜厚爲厚,並將 更膜厚爲厚之磁化方向的外部磁場的大小,作爲較變更 厚爲薄之磁化方向的外部磁場的大小爲大。 在此,第一之自由層11乃乃較第二之自由層12膜 爲厚,固定層20乃強保磁力之磁性層,第一之自由層 乃中保磁力之磁性層,第二之自由層12乃弱保磁力之 性層。 圖8(a)〜(d)係顯示磁化方向之變化,彙整有 保磁力之磁性層,中磁力之磁性層,弱保磁力之磁性層 雖無法使中保磁力之磁性層的磁化方向反轉,但經 流動之電子的旋轉方向,可使弱保磁力之磁性層的磁化 向反轉之電流稱作弱旋轉注入電流,而經由流動之電子 旋轉方向,可使弱保磁力之磁性層與保磁力之磁性層的 化方向反轉之電流稱作強旋轉注入電流。 二個之穿隧磁阻元件之磁性層的垂直磁化方向乃相 方向,二個之穿隧磁阻元件之阻抗値乃磁化方向爲相同 所示之最小阻抗値之情況(圖8 ( a ) : R, + R2 ),係 使弱保磁力之磁性層(第二之自由層12)之磁化方向 反轉之弱旋轉注入電流,經由施加於第一,第二之電 第 件 第 方 鐵 變 膜 厚 11 磁 強 〇 由 方 的 磁 同 時 唯 F2 極 -30- 201034180 47,48的電壓,流動於二個之穿隧磁阻元件,具有弱保 磁力之磁性層(第二之自由層12)之穿隧磁阻元件的阻 抗値則增加(圖 8 ( b ) : Ri+ R2+ ARi),接著,旋轉 的方向乃與弱旋轉注入電流相同,當流動有亦可使弱保磁 力之磁性層與保磁力之磁性層的磁化方向反轉之強旋轉注 入電流時,在此中保磁力之磁性層(第一之自由層11) 的磁化方向Fi則反轉,成爲與流動前不同之阻抗値(圖8 (C) : Ri+R2+ARl)。 接著,流動旋轉乃相反方向之弱旋轉注入電流,弱保 磁力之磁性層(第二之自由層12)的磁化方向F2則再次 反轉,阻抗値乃成爲最大(圖8(d) : Ri + R2+ Δ Ri + △ R2 )。 此情況亦可作爲最小値,最大値,最小値與最大値之 間的値之中間値之三値的記憶元件。△ R】與△ R2如不同 ,將R! + R2 + △ R!與R, + R2 + △ R2之中的小者作爲第一 φ 中間値,而將大者作爲第二中間値時,可作爲最小値與第 一中間値與第二中間値與最大値之四値之記憶元件。 圖9係串聯連接由強保磁力之固定層20與絕緣層13 與第二之自由層12構成之穿隧磁阻元件,和由第二之自 由層12與絕緣層14與第一之自由層11構成之穿隧磁阻 元件之記億元件,在此記憶元件亦由使用弱旋轉注入電流 與強旋轉注入電流,以及使用弱外部磁場與強外部磁場, 可作爲三値,四値之記憶元件》 然而,如圖7之記憶元件60,屬於垂直詞話方法, -31 - 201034180 其中,串聯連接之二個穿隧磁阻元件之中,將一方之穿隧 磁阻元件,由第一之自由層11,和絕緣層14,和固定層 21而形成,將另一方之穿隧磁阻元件,由第二之自由層 12,和絕緣層13,和固定層22而構成。 作爲磁化方向爲垂直之磁性層,可使用FePt膜者。 另外,將成爲隧道層之MgO之絕緣膜形成於FePt膜 上之情況,爲了使MgO隧道層配向於(001),於FePt 膜之表面,將薄的非晶形狀之CoFeB膜進行成膜,作爲 層積FePt膜與CoFeB膜之構造的電極,於其表面形成 MgO之絕緣層,更且於MgO之絕緣層的表面,依薄的非 晶形狀之CoFeB膜與FePt膜之順序進行層積而作爲電極 ,可形成各電極磁化於垂直方向之穿隧磁阻元件者。 並且,由改變電極中的FePt之厚度者,可改變電極 之保磁力而形成自由層或固定層。 【圖式簡單說明】 [圖1]說明本發明第一例之記憶元件的剖面圖。 [圖2]說明本發明第二例之記憶元件的剖面圖。 [圖3] ( a)〜(d):說明磁化方向之趨向的組合的 模式性剖面圖。 [圖4]說明使用本發明之記憶元件之記憶媒體& - % 的剖面圖。 [圖5]說明本以往技術之記憶元件的剖面圖。 [圖6]乃顯示垂直磁化記憶方法之記憶元件的胃胃_ 201034180 造之一例圖。 [圖7]乃顯示垂直磁化記憶方法之記憶元件的層積構 造之其他一例圖。 [圖S] ( a)〜(d):爲了說明磁化方向之變化與阻 抗値之關係的模式圖。 [圖9](a)〜(d):爲了說明層積構造變化情況之 磁化方向之變化與阻抗値之關係的模式圖。 [圖10]乃顯示本發明之記憶元件的構造之其他第一例 圖。 [圖11]乃顯示本發明之記憶元件的構造之其他第二例 圖。 【主要元件符號說明】 I :記憶媒體 10、30、50、60 :記憶元件 II :第一之自由層 12 :第二之自由層 13,14 :絕緣層 2〇 ’ 40 :磁場固定構件 21〜23 :固定層 25〜27 :反強磁性層 41〜44 :強磁性層 47 :第一電極 48 :第二電極 -33-