WO2006062150A1

WO2006062150A1 - 磁気ランダムアクセスメモリ

Info

Publication number: WO2006062150A1
Application number: PCT/JP2005/022527
Authority: WO
Inventors: Sadahiko Miura; Tetsuhiro Suzuki; Kaoru Mori; Yoshiyuki Fukumoto
Original assignee: Nec Corporation
Priority date: 2004-12-10
Filing date: 2005-12-08
Publication date: 2006-06-15
Also published as: JPWO2006062150A1

Abstract

　トグル書込み方式の磁気ランダムアクセスメモリは、自由磁性層と、固定磁性層と、自由磁性層と固定磁性層に挟まれた非磁性層とを具備する。自由磁性層は、互いに反強磁性結合した２ｎ層（ｎは２以上の整数）の磁性膜を有する。

Description

明細書

磁気ランダムアクセスメモリ

技術分野

[0001] 本発明は、磁気ランダムアクセスメモリ（MRAM : Magnetic Random Access Memory)に関し、特に、「トグル書込み方式」の磁気ランダムアクセスメモリに関する背景技術

[0002] 磁気ランダムアクセスメモリ（MRAM)は、高集積と高速動作の観点から有望な不揮発性メモリである。 MRAMにおいては、 AMR (Anisotropic MagnetoResistance) 効果、 GMR (Giant MagnetoResistance)効果、及び TMR (Tunnel MagnetoResistanc e)効果といった磁気抵抗効果を示す磁気抵抗素子が利用される。

[0003] 図 1は、米国特許 US5640343号（第 1従来例）に開示された MRAMの構成を示す平面図である。この MRAM100は、互いに直交するように形成された書込みヮード線 101と書込みビット線 102を備えている。書込みワード線 101と書込みビット線 10 2の交点にはメモリセル 103が配置されており、このメモリセル 103が磁気抵抗素子を含んでいる。

[0004] 図 2は、従来の磁気抵抗素子の構造を示す概念図である。この磁気抵抗素子 110 は、下部電極層 111、反強磁性層 112、固定磁性層（ピン層） 113、バリア層 114、自由磁性層（フリー層） 115及び上部電極層 116を含んでいる。ノリア層 114は、絶縁膜あるいは金属膜を含む非磁性層であり、固定磁性層 113と自由磁性層 115に挟まれている。固定磁性層 113と自由磁性層 115とは、いずれも、自発磁化を有する強磁性層を含んで、る。固定磁性層 113の自発磁化の向き（orientation)は所定の方向に固定されている。一方、自由磁性層 115の自発磁ィ匕の向きは反転可能であり、固定磁性層 113の自発磁化の向きと平行、又は反平行になることが許されてヽる。

[0005] 固定磁性層 113と自由磁性層 115の自発磁ィ匕の向き力 '反平行"である場合の磁気抵抗素子 110の抵抗値 (R+ A R)は、磁気抵抗効果により、それらが"平行"である場合の抵抗値 (R)よりも大きくなることが知られている。 MRAM100は、この磁気抵抗素子 110をメモリセル 103として用い、この抵抗値の変化を利用することによってデータを不揮発的に記憶する。メモリセル 103のデータの書き換えは、自由磁性層 1 15の自発磁ィ匕の向きを反転させることによって行われる。具体的には、自由磁性層 1 15の磁ィ匕容易軸が書込みワード線 101あるいは書込みビット線 102と平行になるように、メモリセル 103は配置されている。これら書込みワード線 101と書込みビット線 10 2に、それぞれ書込み電流 I 及び I が供給される。書込み電流 I , I が所定の条

WL BL WL BL

件を満たす場合、その書込み電流により発生する外部磁界によって、自由磁性層 11 5の自発磁化の向きが反転される。

[0006] 図 3Aは、その所定の条件（閾値)を示す図である。図 3Aに示される曲線はァステロイドカーブと呼ばれており、自由磁性層 115の自発磁ィ匕の反転に必要な最低限の書込み電流 I 、 I を示す。つまり、このァステロイドカーブの外側の Reversal領域に

WL BL

対応する書込み電流 I 、1

WL BLが供給された場合、データの書き換えが行われる。一方、供給される書込み電流 I 、 I 1S ァステロイドカーブの内側の Retention領域

WL BL

に落ちる場合、データの書き換えは行われない。その閾値の書込み電流 I 、1

WL BLによつて発生する外部磁界を H , Hとし、

X Y 一軸異方性磁界を Hとする。この時、磁界 h (

K X

=H /H ), h (=H /H )に対して以下の関係が成立する。

X K Y Y K

[0007] [数 1] l = h_x ^2/3 +h_Y ^2/3 -- ' (1)

[0008] 図 3Bは、複数のメモリセルに対するァステロイドカーブの分布を示す。各メモリセルが有する磁気抵抗素子 110の特性にはバラツキが存在する。そのため、複数のメモリセルに対するァステロイドカーブ群（曲線群）は、図 3Bに示されるように、曲線 Cmax と曲線 Cminの間に分布することになる。書込みが行われるためには、書込み電流 I

W

、 I は、少なくとも、曲線 Cmaxの外側の Reversal領域に存在する必要がある。ここし BL

で、その書込み電流 I 、 I

WL BLは、対象となるメモリセル以外のメモリセルにも影響を与える（以下、「ディスターブ」と参照される）。書込み電流 I と I のい

WL BL ずれか一方により発生する磁界によって、対象ではな、メモリセルに書込みが行われな、ようにする必要がある。そのため、書込みワード線 101を流れる電流 I は I より小さぐ且つ、

WL X(min) 書込みビット線 102を流れる電流 I は I より小さい必要がある。よって、書込み電

BL Y(min)

流 I 、1 は、図 3B中のハッチング領域（書込みマージン）に対応していなければな

WL BL

らない。磁気抵抗素子 110の特性のバラツキが大きくなるにつれ、この書込みマージンは小さくなる。

[0009] このようなメモリ特性の劣化や誤書込み (ディスターブ）を抑制するための技術として、「トグル書込み方式」が提案されている。例えば、米国特許 US6545906号 (第 2従来例）には、トグル書込み方式の MRAMが開示されている。トグル書込み方式の M RAMにおいては、「反強磁性結合力」が用いられる。ある種の材料は、隣り合う磁ィ匕を逆向きに働かせる力 (反強磁性結合力)を持っており、これは反強磁性材料と呼ばれる。極めて薄い導電膜を強磁性膜の間に挟み込むことでも、同様の反強磁性結合力を働かせることができることが知られている。トグル書込み方式の MRAMにおいては、互いに反強磁性的に結合した N層（Nは 2以上の整数)の磁性膜が用いられる。第 2従来例にお、ては、 N = 2と N = 3の場合が示されて、る。

[0010] 図 4A及び図 4Bは、トグル書込み方式の MRAMにおいて用いられる磁気抵抗素子 120の構造を示す概念図である。この磁気抵抗素子 120は、下部電極層 121、反強磁性層 122、固定磁性層（ピン層） 123、バリア層 124、自由磁性層（フリー層） 12 5及び上部電極層 126を含んでいる。ここで、この自由磁性層 125は、「反強磁性的」に結合した第 1磁性膜 131と第 2磁性膜 132を含んでいる (N = 2)。具体的には、第 1磁性膜 131と第 2磁性膜 132との間には、薄い非磁性膜 133が挟まれている。この反強磁性結合により、図 4A及び図 4B中の矢印で示されているように、第 1磁性膜 13 1と第 2磁性膜 132の自発磁ィ匕の方向は、安定状態において反平行となる。自由磁性層（フリー層） 125中の第 1磁性膜 131と第 2磁性膜 132の自発磁ィ匕の向きは反転可能である。一方の自発磁化が反転した場合、反平行状態を保つように、他方の自発磁化も反転する。

[0011] 自由磁性層 125中の第 1磁性膜 131は、ノリア層 124を介して固定磁性層 123上に積層されている。図 4Aは、第 1磁性膜 131の自発磁ィ匕の向きと固定磁性層 123の自発磁ィ匕の向き力反平行"である「第 1状態」を示し、図 4Bは、第 1磁性膜 131の自発磁ィ匕の向きと固定磁性層 123の自発磁ィ匕の向きが"平行"である「第 2状態」を示している。磁気抵抗効果により、第 1状態における磁気抵抗素子 120の抵抗値 (R+ Δ R)は、第 2状態における抵抗値 (R)よりも大きくなる。トグル書込み方式の MRAMは、この磁気抵抗素子 120をメモリセル 103として用い、抵抗値の変化を利用することによってデータを不揮発的に記憶する。例えば、図 4Aに示される第 1状態は、データ「1」に対応付けられ、図 4Bに示される第 2状態は、データ「0」に対応付けられる。

[0012] 図 5は、トグル書込み方式の MRAMにおける自発磁化の方向を示す平面図である。図 5において、書込みワード線 101及び書込みビット線 102は、互いに直交する S 方向及び T方向に沿ってそれぞれ形成されて、る。メモリセル (磁気抵抗素子 120) は、書込みワード線 101と書込みビット線 102に挟まれて配置されている。ここで、磁気抵抗素子 120の自由磁性層 125における「磁ィ匕容易軸方向」を X方向とし、「磁ィ匕困難軸方向」を Y方向とする。トグル書込み方式の MRAMにおいては、図 5に示されるように、磁ィ匕容易軸方向（X方向）が S方向あるいは T方向と 45度の角をなすように、メモリセルが配置される。安定状態において、第 1磁性膜 131の自発磁化と第 2 磁性膜 132の自発磁ィ匕は、互いに反平行であり、且つ、 S方向あるいは T方向と 45 度の角度をなしている。

[0013] このような MRAMにおいて、データの書込みは、第 1磁性膜 131と第 2磁性膜 132 における自発磁ィ匕の方向を反転させることによって行われる。トグル書込み方式によれば、データの書込みの前に、対象メモリセルに格納されているデータ（格納データ )の読み出しが行われる。格納データと書込みデータが異なっている場合にのみ、書込み動作が実行される。

[0014] 図 6Aと 6Bは、トグル書込み方式の MRAMにおける書込み動作を示すタイミングチャートである。まず、時刻 tlで、書込みワード線 101に書込み電流 I が供給され、

WL

時刻 t2で、書込みビット線 102に書込み電流 I が供給される。続いて、時刻 t3で、

Bし

書込み電流 I の供給が停止し、時刻 t4で、書込み電流 I の供給が停止する。この

WL BL

ような電流制御を行うことによって、第 1磁性膜 131と第 2磁性膜 132における自発磁化の方向が反転する（第 2従来例参照)。つまり、トグル書込み方式によれば、自由磁性層 125の磁ィ匕状態は、書込み動作の度に、「第 1状態」と「第 2状態」の間でトグルスィッチのように変化する。 [0015] 図 7は、トグル書込み方式の MRAMにおける閾値特性を示すグラフ図である。図 7 において、縦軸と横軸は、それぞれ書込み電流 I 、1

WL BLを示す。データが書き込まれる"選択セル"に対応する書込みワード線 101及び書込みビット線 102には、図中の「 TOGGLE」と示された領域に対応する書込み電流 I , 1 が供給される。これにより

WL BL

、その選択セルにおいてトグル動作が行われる。ここで、図 7に示されるように、この閾値特性は X切片、 Y切片を持たない。よって、書込みワード線 101及び書込みビット線 102のいずれか一方が選択セルと共通である"半選択セル"には、いずれかの書込み電流による磁界しか印加されない。従って、その半選択セルにおいてトグル動作は起こらない。このように、トグル書込み方式の MRAMによれば、図 3Bに示された従来の MRAMと比較して、誤書込みが大幅に低減される。また、書込み電流の値を厳密に制御する必要がないので、書込みマージンは飛躍的に向上する。

[0016] トグル書込み方式の MRAMの動作領域は、次のように規定される。図 8Aは、この MRAMの閾値特性を詳細に示すグラフ図である。図 8Aにおいて、縦軸と横軸は、それぞれ書込み電流 I , I によって生成される磁界 H , H を示す。図 8Bは、ト

WL BL WL BL

ダル書込み方式の MRAMにおける自由磁性層 125の磁気抵抗特性を示すグラフ図である。図 8Bにおいて、横軸は、磁化容易軸 (X軸)方向の磁界 Hを示し、縦軸は

X

、抵抗値を示す。

[0017] トグル動作に必要な最小の磁界であって、 X軸 (磁ィ匕容易軸)方向の磁界が、「フロップ磁界（Spin Flop Field) H」と定義される。すなわち、フロップ磁界 H の大きさは、 sf sf

図 8Aにおいて原点から点 aまでの距離で定義される。自由磁性層 125が 2層の等価な磁性膜から構成される場合、フロップ磁界 H は、「一軸異方性磁界 H」と「反強磁 sf K

性結合磁界 H」を用いて、次の式で表される。

I

[0018] [数 2]

[0019] また、書込み動作時の磁界がある値よりも大きくなつた場合、自由磁性層 125に含まれる各磁性膜の自発磁ィ匕は完全に同じ方向を向いてしまう。この時、動作が不安定になってしまう。不安定にならない限界の磁界は、図 8Aにおいて曲線 Cで示されている。その限界の磁界であって、 X軸 (磁ィ匕容易軸)方向の磁界力「飽和磁界 (Sa turation Field) H 」と定義される。すなわち、飽和磁界 H の大きさは、図 8Aにおい sat sat

て原点力曲線 Cまでの距離で定義される。

[0020] このように、トグル動作領域の上限及び下限は、それぞれフロップ磁界 H及び飽和 sf 磁界 H で規定される。書込み動作時に印加される磁化容易軸方向の磁界 Hは、 sat X 図 8Bに示されるように、フロップ磁界 Hから飽和磁界 H までの範囲に入る必要が sf sat

ある。トグル書込み方式の MRAMにおいて、このトグル動作領域を更に拡大することができる技術が望まれている。そのために、飽和磁界 H とフロップ磁界 Hの比を増 sat sr カロさせることができる技術が望まれて、る。

[0021] また、トグル書込み方式の MRAMにおいて、消費電力を低減することができる技術が望まれている。それは、トグル書込み方式の MRAMによる書込み電流は、図 2 に示される一般的な MRAMによる書込み電流よりも大きくなる傾向があるからである。一例として、図 4Aに示された 2層の磁性膜から構成された自由磁性層 125に対するフロップ磁界 Hと、図 2に示された単層の自由磁性層 115に対する書込み磁界と sf

の比較を行う。両自由磁性層において、一軸異方性磁界 H

Kは同じと仮定する。図 2 に示された自由磁性層 115に対する書込み磁界は、約 Hである。一方、反強磁性

K

結合磁界 Hが H =4Hで与えられる時、上記数式（2)により、フロップ磁界 H は次

I I K sf 式で与えられる。

[0022] [数 3]

H_SF = ^J5H_K - (3)

[0023] このように、トグル書込み方式によれば、一般的なァステロイド特性と比較して、約 5 1^/2倍の書込み磁界、すなわち書込み電流が必要となる。従って、トグル書込み方式の MRAMにおいて、書込み電流を低減することができる技術が望まれている。そのためには、フロップ磁界 H が小さいことが望ましい。尚、熱擾乱耐性を確保するため sf

に、一軸異方性磁界 Hをむやみに小さくすることはできない。

K

[0024] 尚、トグル書込み方式ではな!/、一般的な MRAMの技術として、以下が知られて!/ヽる。

[0025] 特開 2002— 151758号公報 (第 3従来例）に開示された技術の目的は、熱揺らぎに対して安定な強磁性トンネル磁気抵抗素子を提供することである。この強磁性トンネル磁気抵抗素子のフリー層にお、て、強磁性層と中間層が少なくとも 5層以上積層されている。中間層を介して隣接する 2層の強磁性層の磁ィ匕は、反強磁性的に配列されている。

[0026] 特開 2003— 298023号公報 (第 4従来例）に開示された磁気メモリは、 2つの磁気抵抗素子と、それらの間に介在した共通配線を備える。第 1の磁気抵抗素子は、第 1 のピン層と第 1のフリー層を有する。第 1のピン層は、非磁性層を介して積層された偶数層の強磁性層を含む。第 1のフリー層は、単層の強磁性層、あるいは非磁性層を介して積層された複数の強磁性層を含む。第 2の磁気抵抗素子は、第 2のピン層と第 2のフリー層を有する。第 2のピン層は、単層の強磁性層、あるいは非磁性層を介して積層された 3層以上の強磁性層を含む。第 2のフリー層は、単層の強磁性層、あるいは非磁性層を介して積層された複数の強磁性層を含む。

[0027] 特開 2003— 331574号公報（第 5従来例）には、 MRAMの書込み方法が開示されている。この書込み方法は、容易軸及び困難軸を有する磁気抵抗効果素子に、困難軸に平行な第 1磁界を作用させるステップと、その後、第 1磁界より弱く困難軸に平行な第 2磁界と、容易軸に平行な第 3磁界とを、同時に磁気抵抗効果素子に作用させるステップとを有する。

[0028] 特開 2004— 87870号公報 (第 6従来例）に開示された磁気抵抗効果素子によれば、ピン層が、フリー層に静磁界を印加するための磁界印加部材としての機能を有している。その静磁界を印加するために、ピン層からの漏洩磁界の強さ力所定の値以上になるように設定されて、る。

[0029] 特開平 5— 266651号公報 (第 7従来例）には、磁性薄膜メモリ素子が開示されている。この磁性薄膜メモリ素子は、磁性薄膜の磁ィ匕の向きによって情報を記憶する。この磁性薄膜は、積層構造を有している。具体的には、この磁性薄膜において、保磁力の大きな磁性層 aと保磁力の小さな磁性層 bが、非磁性層 cを介して、 a/c/b /c/a/c/b/c - · ·というように積層されている。発明の開示

[0030] 本発明の目的は、ディスターブを抑制することができるトグル書込み方式の MRA Mであって、動作領域を拡大することができる MRAMを提供することにある。

本発明の他の目的は、ディスターブを抑制することができるトグル書込み方式の M RAMであって、書込み電流を低減することができる MRAMを提供することにある。

[0031] 本発明に係る磁気ランダムアクセスメモリは、「トグル書込み方式」である。この磁気ランダムアクセスメモリは、自由磁性層と、固定磁性層と、自由磁性層と固定磁性層に挟まれた非磁性層とを備える。

[0032] 自由磁性層は、互いに反強磁性結合した 2n層（nは 2以上の整数)の磁性膜を有する。自由磁性層は（2n—l)層の非磁性膜を更に有し、上記 2n層の磁性膜と、その (2n— 1)層の非磁性膜は、交互に積層される。上記 (2n— 1)層の非磁性膜の膜厚はほぼ等しぐそれらの材料は同じであると好ましい。また、上記 2n層の磁性膜のそれぞれの膜厚はほぼ等しぐそれらの材料は同じであると好ましい。

[0033] 本願発明者らは、このような構成によって磁気ランダムアクセスメモリの動作領域が拡大することを発見し、実証した。更に、本願発明者らは、このような構成によって磁気ランダムアクセスメモリの書込み電流が低減されることを発見し、実証した。

図面の簡単な説明

[0034] [図 1]図 1は、従来の MRAMの構成を示す平面図である。

[図 2]図 2は、従来の MRAMに用いられる磁気抵抗素子の構造を示す概念図である

[図 3A]図 3Aは、従来の MRAMにおける、あるメモリセルに対する閾値特性（ァステロイドカーブ)を示すグラフ図である。

[図 3B]図 3Bは、従来の MRAMにおける、複数のメモリセルに対する閾値特性の分布を示すグラフ図である。

[図 4A]図 4Aは、従来のトグル書込み方式の MRAMに用いられる磁気抵抗素子の構造を示す概念図である。

[図 4B]図 4Bは、従来のトグル書込み方式の MRAMに用いられる磁気抵抗素子の構造を示す概念図である。 [図 5]図 5は、従来のトグル書込み方式の MRAMにおける自発磁化の方向を示す平面図である。

[図 6]図 6Aと 6Bは、従来のトグル書込み方式の MRAMにおける書込み動作を示すタイミングチャートである。

[図 7]図 7は、従来のトグル書込み方式の MRAMにおける閾値特性を示すグラフ図である。

[図 8A]図 8Aは、従来のトグル書込み方式の MRAMにおける閾値特性の詳細を示すグラフ図である。

[図 8B]図 8Bは、従来のトグル書込み方式の MRAMにおける自由磁性層の磁気抵抗特性を示すグラフ図である。

[図 9]図 9は、本発明に係る MRAMの構成を示す平面図である。

[図 10]図 10は、本発明に係る MRAMに用いられる磁気抵抗素子の構造を示す概念図である。

[図 11]図 11は、本発明に係る MRAMにおけるメモリセルの磁化特性を示すグラフ図である。

[図 12A]図 12Aは、本発明に係る MRAMにおける飽和磁界と一軸異方性磁界との関係を示すグラフ図である。

[図 12B]図 12Bは、本発明に係る MRAMにおける飽和磁界と磁性膜の積層枚数 N との関係を示すグラフ図である。

[図 13A]図 13Aは、本発明に係る MRAMにおけるフロップ磁界と一軸異方性磁界との関係を示すグラフ図である。

[図 13B]図 13Bは、本発明に係る MRAMにおけるフロップ磁界と磁性膜の積層枚数 Nとの関係を示すグラフ図である。

[図 14]図 14は、本発明に係る MRAMに用いられる磁気抵抗素子の構造の一例を示す概念図である。

[図 15]図 15は、本発明に係る MRAMに用いられる磁気抵抗素子の構造の他の例を示す概念図である。

[図 16]図 16は、図 14及び図 15に示された磁気抵抗素子の磁化特性を示すグラフ図である。

[図 17]図 17は、本発明に係る MRAMに用いられる磁気抵抗素子の構造の更に他の例を示す概念図である。

発明を実施するための最良の形態

[0035] 添付図面を参照して、本発明による磁気ランダムアクセスメモリ（MRAM)を説明する。本発明に係る MRAMは、「トグル書込み方式」の MRAMである。

[0036] 図 9は、本発明に係る MRAMの構成を示す平面図である。本発明に係る MRAM 1は、 S方向に沿って形成された書込みワード線 2と、 T方向に沿って形成された書込みビット線 3を備えている。 S方向と T方向は、互いに略直角である。つまり、書込みヮード線 2と書込みビット線 3は、互いに交差するように設けられている。書込み動作時、書込みワード線 2には書込み電流 I が供給され、この書込み電流 I によって T方

WL WL

向の書込み磁界 H が生成される。また、書込み動作時、書込みビット線 3には書込

WL

み電流 I が供給され、この書込み電流 I によって S方向の書込み磁界 H が生成さ

BL BL BL

れる。

[0037] 書込みワード線 2と書込みビット線 3の交点には、メモリセル 4が設けられている。メモリセル 4は、書込みワード線 2と書込みビット線 3に挟まれるように配置されており、上記書込み磁界 H 及び H 1S このメモリセル 4に作用する。また、メモリセル 4は、

WL BL

磁気抵抗効果を示す磁気抵抗素子 10を有している。磁気抵抗素子 10に含まれる自由磁性層（フリー層）の磁化容易軸方向は X方向と定義され、その磁化困難軸方向は Y方向と定義される。図 9に示されるように、本発明において、 X方向は、上記 S方向あるいは T方向に対して略 45度の角をなす。つまり、磁化容易軸と書込みワード線 2あるいは書込みビット線 3とのなす角が略 45度になるように、磁気抵抗素子 10は配置されている。

[0038] 図 10は、本発明に係る磁気抵抗素子 10の構造を示す概念図である。この磁気抵抗素子 10は、下部電極層 11、反強磁性層 12、固定磁性層（ピン層） 13、バリア層 1 4、自由磁性層（フリー層） 15及び上部電極層 16を含んでいる。固定磁性層 13と自由磁性層 15とは、いずれも、自発磁ィ匕を有する強磁性層を含んでいる。固定磁性層 13の自発磁ィ匕の向き（orientation)は所定の方向に固定されている。一方、自由磁性層 15の自発磁ィ匕の向きは反転可能である。ノリア層 14は、絶縁膜あるいは金属膜を含む非磁性層であり、固定磁性層 13と自由磁性層 15に挟まれている。ノリア層 14は、例えば、トンネル絶縁膜である。この時、固定磁性層 13、バリア層 14、及び自由磁性層 15によって、磁気トンネル接合（MTJ; Magnetic Tunnel Junction)が形成される。

[0039] 本発明によれば、自由磁性層 15は、互いに反強磁性結合した 2n層（nは 2以上の整数)の磁性膜 20— 1〜20— 2nを備えている。つまり、自由磁性層 15は、 4以上の偶数層の磁性膜 20を有しており、それら複数の磁性膜 20— 1〜20— 2nは、互いに反強磁性結合している。隣接する磁性膜 20の間には、反強磁性結合を実現するための非磁性膜 (反強磁性結合膜) 30が形成されている。つまり、自由磁性層 15は、 ( 2n— 1)層の非磁性膜 30— 1〜30— (2n— 1)をも備えている。そして、図 10に示されるように、 2n層の磁性膜 20と（2n— 1)層の非磁性膜 30は、交互に積層されている

[0040] 好適には、 2n層の磁性膜 20は互いに等価である。つまり、 2n層の磁性膜 20の材料や膜厚は、それぞれ同じであることが好ましい。磁性膜 20の材料として、 Ni, Fe, Co, Mn及びそれらの化合物から構成されるグループから選択される少なくとも一種類が例示される。また、磁性膜 20の膜厚として、 1. 5ηπ！〜 10nmが例示される。また、好適には、（2n—l)層の非磁性膜 30は互いに等価である。つまり、（2n— 1)層の非磁性膜 30の材料や膜厚は、それぞれ同じであると好ましい。非磁性膜 30の材料として、 Ru, Os, Re, Ti, Cr, Rh, Cu, Pt, Pdから構成されるグループから選択される少なくとも一種類が例示される。また、非磁性膜 30の膜厚として、 0. 4nm〜3nm が例示される。

[0041] このような積層構造によって、互いに反強磁性結合した 2n層の磁性膜 20— 1〜20

—2nが実現される。これにより、隣接する 2層の磁性膜 20における自発磁ィ匕の方向は、安定状態において"反平行"となる。つまり、図 10に示されるように、 2n層の磁性膜 20— l〜20— 2nにおける自発磁ィ匕の方向は交互になる。

[0042] この磁気抵抗素子 10は、 2つの安定状態を有する。「第 1の状態」では、図 10中の矢印で示されるように、バリア層 14に隣接する磁性膜 20 - 1における自発磁化の方向は、固定磁性層 13における自発磁ィ匕の方向に"反平行"である。「第 2の状態」では、 2n層の磁性膜 20における自発磁ィ匕の方向が全体的に反転している。つまり、磁性膜 20 - 1における自発磁ィ匕の方向は、固定磁性層 13における自発磁ィ匕の方向に "平行"である。磁気抵抗効果により、第 1状態における磁気抵抗素子 10の抵抗値（ R+ AR)は、第 2状態における抵抗値 (R)よりも大きくなる。 MRAM1は、この抵抗値の変化を利用することによってデータを不揮発的に記憶する。例えば、図 10に示される第 1状態は、データ「1」に対応付けられ、第 2状態は、データ「0」に対応付けられる。

[0043] あるメモリセル 4に格納されたデータの読み出しは、この磁気抵抗素子 10の抵抗値の大きさを検出することによって行われる。具体的には、下部電極層 11と上部電極層 16の間に所定の電圧を印加し、磁気抵抗素子 10を流れる電流の大きさを検出すること〖こよって、抵抗値の大きさが検出される。検出された抵抗値の大きさによって、対象メモリセル 4に格納されているデータが判定される。

[0044] また、データの書込みは、自由磁性層 15に含まれる 2n層の磁性膜 20における自発磁ィヒの方向を反転させることによって行われる。トグル書込み方式によれば、データの書込みの前に、対象メモリセルに格納されて、るデータ (格納データ）の読み出しが行われる。格納データと書込みデータが異なっている場合にのみ、書込み動作が実行される。

[0045] 書込み動作は、次の順番で行われる。すなわち、時刻 tlで、書込みワード線 2に書込み電流 I が供給され、時刻 t2で、書込みビット線 3に書込み電流 I が供給される

WL BL

。続いて、時刻 t3で、書込み電流 I の供給が停止し、時刻 t4で、書込み電流 I の

WL BL

供給が停止する。つまり、書込みワード線 2には、時刻 tlから時刻 t3までパルスが印カロされ、書込みビット線 3には、時刻 t2から時刻 t4までパルスが印加される。ここで、時刻 tl <時刻 t2<時刻 t3<時刻 t4である（図 6Aと 6B参照)。このような電流制御を行うことによって、すなわち、書込み電流 I と I を供給するタイミングをずらすことに

WL BL

よって、複数の磁性膜 20における自発磁化が反転する。トグル書込み方式によれば、自由磁性層 15の磁ィ匕状態は、書込み動作の度に、「第 1状態」と「第 2状態」の間でトグルスイッチのように変化する。 [0046] このように、本発明に係る MRAM1によれば、自由磁性層 15は、互いに「反強磁性結合」した 2n層（nは 2以上の整数)の磁性膜 20を有している。本願発明者らは、このような構成によって MRAM1の動作領域が拡大することを発見し、実証した。更に、本願発明者らは、このような構成によって MRAM1の書込み電流が低減されることを発見し、実証した。以下、その根拠となるデータを詳細に説明する。

[0047] 図 11は、等価な 2n層の磁性膜 20を有する自由磁性層 15の磁ィ匕特性を示している。横軸は、磁化容易軸方向（X方向）の磁界 Hを示し、縦軸は、飽和磁化 Mによつ

X s て規格化された磁化 Mを示している。また、磁性膜 20の積層数を N ( = 2n)とする。

X

図 11においては、 N = 2 N=4 N=6 N=8 N= 10の 5種類のメモリセルに対する磁ィ匕特性が示されている。尚、この磁ィ匕特性は、 Landau-Lifshitz方程式を数値的に解くこと〖こよって得られる。図 11に示されるように、積層数 Nが増加するにつれて、「飽和磁界 H 」が増加することが分力つた。このような多層膜においては、両端では sat

ない磁性膜 20に対して、上層と下層から複数の反強磁性結合磁界が作用し、その結果として飽和磁界 H が増加したものと考えられる。

sat

[0048] また、一般的に、磁化容易軸方向（X方向）に磁界 Hを印加した際の、 "2層"の等価な磁性膜からなる系のエネルギー Etは、次式で表される。

[0049] [数 4]

E_t = K_u sin² θ_χ + K_u sin² θ₂ - HM (cos θ_χ + cos0₂ ) + J cos (θ^ - θ₂ ) —=—— sin"" ΘΛ +—— sin² ウ - // (cos +cos^ ) +― cos (ft - θ^ )

=丄 (H_K sin² θ_λ + H_K sin² Θ₂ ) - Η (cos θ、 + cos »₂ ) +丄 ^ cos (θ_χ一 θ₂ )

2

- (4)

[0050] ここで、 Κは異方性エネルギー、 Jは反強磁性結合エネルギー、 Μは磁化、 0 は第 1磁性膜と磁ィ匕容易軸とのなす角、 Θ は第 2磁性膜と磁ィ匕容易軸とのなす角、 Η

2 Κ は一軸異方性磁界（ = 2Ku/M) Hは反強磁性結合磁界（ = 2J/M)をそれぞれ

I

示す。 "多層"の等価な磁性膜からなる系のエネルギーは、これらのヤコビアンを計算することによって導出される。 [0051] 図 12Aは、飽和磁界 H と一軸異方性磁界 H との関係を、積層数 Nをパラメータと sat K

して示している。図 12Aにおいて、縦軸及び横軸は、反強磁性結合磁界 Hによって

I

規格化された飽和磁界 H 及び一軸異方性磁界 Hをそれぞれ示している。尚、これ sat K

らの導出は、上記数式 (4)のヤコビアンを計算することによって行われる。図 12Aに示されるように、ある積層数 Nに関しては、規格化された一軸異方性磁界 H /Hが小

K I

さいほど、規格化された飽和磁界 H /Hは大きくなる。

sat I

[0052] 図 12Bは、 H =0の場合における、規格化された飽和磁界 H /Hの積層数 Nに

K sat I

対する依存性を示している。図 12Bに示されるように、磁性膜 20の積層数 Nが増加するにつれて、規格化された飽和磁界 H /Hは大きくなる。つまり、フロップ磁界 H sat I sr が一定の場合、積層数 Nが増加するにつれて飽和磁界 H は大きくなる。これは、動 sat

作領域 (H — H )が拡がることを意味する。

sat sf

[0053] 図 13Aは、フロップ磁界 H と一軸異方性磁界 H との関係を、積層数 Nをパラメ

K 一タとして示している。図 13Aにおいて、縦軸及び横軸は、反強磁性結合磁界 Hによ

I

つて規格ィ匕されたフロップ磁界 H及び一軸異方性磁界 Hをそれぞれ示している。

K

尚、これらの導出は、上記数式 (4)のヤコビアンを計算することによって行われる。図 13Aに示されるように、積層数 Nが偶数の場合 (N = 2n)、数の多少に関わらず、規格化されたフロップ磁界 H /Hには同じ依存性'傾向が見られた。また、積層数 Nが sf I

奇数の場合 (N = 2n— 1)、積層数 Nが偶数の場合と比較して、全ての H に対してフ

K

ロップ磁界 Hが大きくなる傾向が見られた。

[0054] 図 13Bは、 H =0の場合における、規格ィ匕されたフロップ磁界 H /Hの積層数 N

K sf I

に対する依存性を示している。図 13Bに示されるように、積層数 Nが偶数の場合 (N = 2n)、フロップ磁界 H は 0である。一方、積層数 Nが奇数の場合、フロップ磁界 H sf sf は有限の値を持ち、積層数 Nが増加するに従って減少する。

[0055] これらの結果力も次のことが導き出せる。積層数 Nが偶数の場合 (N = 2n)、フロップ磁界 H は一定であり、積層数 Nが増加するにつれて飽和磁界 H は増加する。こ sf sat

れは、積層数 Nが増加するに従って、動作領域が拡がることを意味する。一方、積層数 Nが奇数の場合、積層数 Nが増加するにつれて飽和磁界 H は増加する力フロ sat

ップ磁界 Hも N = 2の場合に比べて増加してしまう。すなわち、 N = 2の場合と比較しても、動作領域はそれほど拡がらない。つまり、動作マージンを拡げるためには、積層数 Nが偶数で、且つ 4以上である必要がある。動作マージンの増加幅は、積層数 Nが 2から 4に変わる場合に最も大きい。積層数 Nが大きくなつてくると、動作マージンの増加幅も少なくなつてくる。実際の積層数 Nは、その動作マージンの増加幅と製造上のばらつき（一軸異方性磁界 Hのばらつき、磁性膜 20の膜厚のばらつき、反強磁

K

性結合膜 30の膜厚のばらつき、形状のばらつき等)を考慮して決定される。

[0056] 表 1は、 H /H =0. 2の場合の、規格ィ匕されたフロップ磁界 H /H、規格化された

K I sf I

飽和磁界 H /H、及び飽和磁界 H で規格ィ匕されたフロップ磁界 H (norm) (=H sat I sat sf

/H = (H /H ) / (H /H ) )を示している。ここで、磁性膜 20や反強磁性結合膜 3 sf sat sf I sat I

0の膜厚 ·材料を調整することによって、各積層数 Nに対して飽和磁界 H は等しく設 sat 定されている（反強磁性結合磁界 Hが各積層数 Nに対して変わっている）。つまり、こ

I

の磁界 H (norm)は、飽和磁界 H が一定の場合の規格ィ匕されたフロップ磁界 H sf sat sf を意味する。例えば、積層数 Nが 4の場合、規格ィ匕されたフロップ磁界 H (norm)は sf

、積層数 Nが 2の場合の約半分である。積層数 Nが更に増加すると、規格化されたフロップ磁界 H (norm)は、徐々に減少していく。つまり、一軸異方性磁界 Hと飽和 sf K 磁界 H が一定という条件下では、積層数 N力以上に設定されることによって、書 sat

込み電流の値が、 N = 2の場合の半分以下に減少するということが分かる。すなわち、消費電力が低減される。

[0057] [表 1]

[0058] 以下、更に具体的な例を用いて説明が行われる。

[0059] 例 1：積層数 Nが異なる 2種類の磁気抵抗素子が作製され、それらに対するフロップ磁界 H と飽和磁界 H の評価がなされた。 [0060] 図 14は、構造 Aを有する第 1の磁気抵抗素子を示す概念図である。この磁気抵抗素子は、基板上に順番に積層されたシード層 41、反強磁性層 42、固定磁性層 43、ノリア層 44、自由磁性層 45、及びキャップ層 46を備えている。シード層 41は、 20η mの膜厚を有する Ta膜である。反強磁性層 42は、 20nmの膜厚を有する PtMn膜である。固定磁性層 43は、 2. 5nmの膜厚を有する CoFe膜、 0. 88nmの膜厚を有する Ru膜、及び 2. 5nmの膜厚を有する CoFe膜から構成されている。ノリア層 44は、 lnmの膜厚を有する A1膜が酸化された膜である。自由磁性層 45は、交互に積層された 2層の磁性膜と 1層の非磁性膜を有する (N= 2)。各磁性膜は、 4nmの膜厚を有する NiFe膜と 0. 5nmの膜厚を有する CoFe膜とから構成されている。各非磁性膜 (反強磁性結合膜）は、 2. lnmの膜厚を有する Ru膜である。キャップ層 46は、 0. 7 n_mの膜厚を有する酸化された A1膜と lOOnmの膜厚を有する Ta膜から構成されている。

[0061] 図 15は、構造 Bを有する第 2の磁気抵抗素子を示す概念図である。この磁気抵抗素子は、基板上に順番に積層されたシード層 51、反強磁性層 52、固定磁性層 53、ノリア層 54、自由磁性層 55、及びキャップ層 56を備えている。シード層 51、反強磁性層 52、固定磁性層 53、バリア層 54、及びキャップ層 56のそれぞれの膜厚'組成は、上述のシード層 41、反強磁性層 42、固定磁性層 43、バリア層 44、及びキャップ層 46のそれぞれと同じである。自由磁性層 55は、交互に積層された 4層の磁性膜と 3層の非磁性膜を有する (N=4)。各磁性膜は、第 1の磁気抵抗素子と同様に、 4n mの膜厚を有する NiFe膜と 0. 5nmの膜厚を有する CoFe膜とから構成されて、る。各非磁性膜 (反強磁性結合膜)は、第 1の磁気抵抗素子と同様に、 2. lnmの膜厚を有する Ru膜である。

[0062] 図 16は、構造 A (N= 2)及び構造 B (N=4)における自由磁性層 45、 55の磁ィ匕特性を示す。図 16において、横軸は、磁化容易軸方向（X方向）の磁界 Hを示し、縦

X

軸は、飽和磁化 Msで規格化された磁化 MXを示す。また、表 2は、構造 A(N = 2)及び構造 B (N = 4)に対応するフロップ磁界 Hと飽和磁界 H を示す。

sf sat

[0063] [表 2] フロップ磁界

層飽雄界

構造積数 N

(0e) (0e)

A 2 62 298

B 4 63 1 1 80

[0064] 図 16及び表 2に示されているように、構造 A及び構造 Bに対するフロップ磁界 H は sf ほとんど同じであった (62〜630e)。一方、飽和磁界 H に関しては、構造 Aと構造 sat

Bで大きく変化した。具体的には、構造 A (N = 2)の場合、飽和磁界 H は 298 [Oe] sat

であったのに対し、構造 B (N = 4)の場合、飽和磁界 H は 1180 [Oe]であった。つ sat

まり、積層数 Nが増加することによって、フロップ磁界 H はあまり変化しないが、飽和磁界 H が大きく増加することがわ力つた。すなわち、動作領域が拡大したことがわか sat

つた o

[0065] 例 2 :自由強磁性層中の磁性膜及び非磁性膜 (反強磁性結合膜)の膜厚を調整すること〖こよって、第 1の磁気抵抗素子の場合とほぼ同じ飽和磁界 H を有する第 3の sat

磁気抵抗素子が作製された。そして、それらに対するフロップ磁界 H の評価がなさ sf

れた。

[0066] 図 17は、構造 Cを有する第 3の磁気抵抗素子を示す概念図である。この磁気抵抗素子は、基板上に順番に積層されたシード層 61、反強磁性層 62、固定磁性層 63、ノリア層 64、自由磁性層 65、及びキャップ層 66を備えている。シード層 61、反強磁性層 62、固定磁性層 63、バリア層 64、及びキャップ層 66のそれぞれの膜厚'組成は、上述のシード層 41、反強磁性層 42、固定磁性層 43、バリア層 44、及びキャップ層 46のそれぞれと同じである。自由磁性層 65は、交互に積層された 4層の磁性膜と 3層の非磁性膜を有する (N=4)。各磁性膜は、 2nmの膜厚を有する NiFe膜と 0. 3 n_mの膜厚を有する CoFe膜とから構成されてヽる。各非磁性膜 (反強磁性結合膜）は、 3. 6nmの膜厚を有する Ru膜である。このように自由磁性層 65を調整すること〖こよって、 H /Hが一定に保たれたまま、一軸異方性磁界 Hが減少した。

K I K

[0067] 表 3は、構造 A (N= 2)及び構造 C (N=4)に対応するフロップ磁界 Hと飽和磁界 sf

H を示す。構造 Cの場合、飽和磁界 H は 350[Oe]、フロップ磁界 H は 27[Oe1 であった。つまり、構造 Aと構造 Cでは、飽和磁界 H はほぼ同じである。一方、積層

sat

数 Nが増加することによって、飽和磁界 H が一定の場合にフロップ磁界 H が減少

sat sf することがわ力た。すなわち、積層数 Nを増加させることによって、動作領域を拡大させることが可能となるだけでなぐ書込み電流を低減することも可能となる。すなわち、消費電力が削減される。

[0068] [表 3]

[0069] 以上に説明されたように、本発明に係るトグル書込み方式の MRAM1は、自由磁性層 15が互いに反強磁性結合した 2n層（nは 2以上の整数)の磁性膜 20を有するように構成される。これにより、動作領域が拡大する。また、書込み電流が削減され、消費電力が低減される。

[0070] 本発明に係るトグル書込み方式の MRAMによれば、動作領域が拡大する。また、本発明に係るトグル書込み方式の MRAMによれば、書込み電流が低減される。

Claims

請求の範囲

[1] トグル書込み方式の磁気ランダムアクセスメモリであって、

自由磁性層と、

固定磁性層と、

前記自由磁性層と前記固定磁性層に挟まれた非磁性層と

を具備し、

前記自由磁性層は、互いに反強磁性結合した 2n層（nは 2以上の整数)の磁性膜を有する

磁気ランダムアクセスメモリ。

[2] 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、

前記自由磁性層は、（2n— 1)層の非磁性膜を更に有し、

前記 2n層の磁性膜と前記（2n— 1)層の非磁性膜は、交互に積層されている磁気ランダムアクセスメモリ。

[3] 請求の範囲 2に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、

前記（2n— 1)層の非磁性膜の膜厚は略等、

磁気ランダムアクセスメモリ。

[4] 請求の範囲 2又は 3に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、

前記（2n— 1)層の非磁性膜の材料は同じである

磁気ランダムアクセスメモリ。

[5] 請求の範囲 1乃至 4のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、前記 2n層の磁性膜の膜厚は略等ヽ

磁気ランダムアクセスメモリ。

[6] 請求の範囲 1乃至 5のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、前記 2n層の磁性膜の材料は同じである

磁気ランダムアクセスメモリ。

[7] ワード線と、

前記ワード線に略直交するビット線と、

前記ワード線と前記ビット線との交点に設けられたメモリセルとを具備し、

前記メモリセルは、

自由磁性層と、

固定磁性層と、

前記自由磁性層と前記固定磁性層に挟まれた非磁性層と

を具備し、

前記自由磁性層は、互いに反強磁性結合した 2n層（nは 2以上の整数)の磁性膜を有し、

前記 2n層の磁性膜の各々における磁ィ匕容易軸が前記ワード線あるいは前記ビット線となす角度は略 45度である

磁気ランダムアクセスメモリ。

[8] 請求の範囲 7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書込データの書込み動作時、前記メモリセルに格納されて、る格納データと前記書込データとの比較が行われ、前記格納データと前記書込データが異なる場合のみ、前記書込み動作が実行される

磁気ランダムアクセスメモリ。

[9] 請求の範囲 8に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、

前記メモリセルに対して前記書込み動作が行われる場合、前記ワード線と前記ビット線の一方に、時刻 tlから時刻 t3までパルスが印加され、

前記ワード線と前記ビット線の他方に、時刻 t2から時刻 t4までパルスが印加され、前記時刻 tl <前記時刻 t2<前記時刻 t3<前記時刻 t4である

磁気ランダムアクセスメモリ。

[10] 自由磁性層と、

固定磁性層と、

前記自由磁性層と前記固定磁性層に挟まれた非磁性層と

を具備し、

前記自由磁性層は、

互いに反強磁性結合した 2n層（nは 2以上の整数)の磁性膜と、前記 2n層の磁性膜と交互に積層された (2n- 1)層の非磁性膜とを有する

磁気抵抗素子。