WO2009136454A1 - スピンバルブ素子および記憶装置 - Google Patents

スピンバルブ素子および記憶装置 Download PDF

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春雄 川上
泰史 荻本
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    • H10B61/00—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices
    • H10B61/20—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having three or more electrodes, e.g. transistors
    • H10B61/22—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having three or more electrodes, e.g. transistors of the field-effect transistor [FET] type

Definitions

  • the present invention relates to a spin valve element using a tunnel magnetoresistive effect (TMR) or a giant magnetoresistive effect (GMR) and a memory device using the spin valve element.
  • TMR tunnel magnetoresistive effect
  • GMR giant magnetoresistive effect
  • tunnel magnetoresistance (TMR) effect that occurs in the laminated structure of a ferromagnetic layer, an insulating layer, and a ferromagnetic layer
  • TMR tunnel magnetoresistance
  • GMR giant magnetoresistance
  • FIG. 11 is a sectional view showing the basic components of a spin valve element using TMR.
  • This spin-valve element includes a single insulator layer 24 formed on a substrate 5, and a ferromagnetic layer 23 (fixed layer) and a ferromagnetic layer 25 (free layer) forming a pair sandwiching the insulator layer. Electrode layers 21 and 27, and an antiferromagnetic layer (pinned layer) 22, a capping layer 26, and the like are added as necessary.
  • the magnetization of the fixed layer 23 is fixed by magnetic coupling with the antiferromagnetic layer 22 or the like.
  • the magnetization of the free layer 25 is controlled by spin injection with a polarized current or by an external magnetic field.
  • FIG. 12 is a sectional view showing the basic components of a spin valve element using GMR.
  • the difference between the spin valve element using GMR and the spin valve element using TMR in FIG. 11 is that the insulator layer 24 is replaced with the nonmagnetic layer 51 in the spin valve element using TMR.
  • the configuration other than is basically the same.
  • Patent Document 1 discloses an example in which the relationship between the angle of the wiring and the direction of the easy axis is determined in a configuration using a spin valve element that controls magnetization by an external magnetic field (external magnetization reversal). JP 2005-142299 A
  • MRAM magnetic random access memory
  • SRAM SRAM
  • the MRAM potentially exhibits excellent technical characteristics such as high speed operation, low power consumption, low voltage operation, and high rewrite durability.
  • the MRAM can be increased in density.
  • One of the biggest technical problems related to the practical application of MRAM using a spin valve element is to reduce the magnetization reversal current.
  • an object of the present invention is to reduce a magnetization reversal current in a spin-injection magnetization reversal spin valve element or to speed up magnetization reversal.
  • the inventors of the present application have found that the magnetization reversal current can be reduced or the magnetization reversal can be performed at high speed by making the easy axis direction of the free layer different from the easy axis direction of the fixed layer. .
  • a spin valve element including an intermediate layer made of one insulating layer or a nonmagnetic layer, and a pair of ferromagnetic layers sandwiching the intermediate layer, wherein the pair of ferromagnetic layers.
  • a spin valve element in which the coercive forces of the ferromagnetic layers are different from each other, and the directions of the easy axes of the ferromagnetic layers of the pair of ferromagnetic layers are different from each other.
  • the easy axis of magnetization can be artificially set by the shape anisotropy, the influence of the adjacent antiferromagnetic layer, the orientation during film formation, and the like. Therefore, it is possible to intentionally change the direction of the easy magnetization axis between the free layer and the fixed layer.
  • the directions of the easy magnetization axes can be different from each other in the plane of the ferromagnetic layer.
  • the state in which the easy axes of the ferromagnetic layer are different from each other in the plane of the ferromagnetic layer typically means a state in which both the easy axes of the ferromagnetic layer are in the plane of the layer and the directions are different from each other.
  • the direction vector in the direction of the easy axis of each ferromagnetic layer is projected onto the surface of the ferromagnetic layer, the easy axis of the ferromagnetic layer is oriented so that the projected direction is different. Including those that are.
  • the angle ⁇ formed by the easy magnetization axes of the pair of ferromagnetic layers is a spin valve element satisfying the following expression (1).
  • Ku is the magnetic anisotropy constant
  • k is the Boltzmann constant
  • T is the operating temperature expressed in absolute temperature
  • V is the volume per element of the ferromagnetic layer with the smaller coercive force.
  • the value obtained by squaring the sine (SIN) component of the angle between the easy magnetization axes is larger than a constant value (formula (1), left side) determined by the physical property value such as magnetic anisotropy constant and coercive force and temperature, A stable angle can be maintained without being affected by thermal fluctuations.
  • the value also has a certain upper limit from the MR ratio, the convergence to a stable point, and the like. The present inventor has found that these technical requirements can be satisfied if the easy axis is set so as to satisfy the above-mentioned conditions.
  • the shape of the periphery of at least one of the pair of ferromagnetic layers has a first direction included in the surface of the ferromagnetic layer and a first direction included in the surface and orthogonal to the first direction. It is preferable that the ranges of the two directions are different from each other.
  • one direction (for example, the first direction) is perpendicular to the shape of the peripheral edge of either or both of the layer having a high coercive force (fixed layer) and the layer having a low coercive force (free layer).
  • the shape can be larger than the direction (second direction). Examples of this shape include a rectangle and an ellipse.
  • a storage device using a spin valve element having any of the above-described characteristics as a storage element is also provided.
  • the present invention has an effect that it is possible to achieve at least one of reducing the magnetization reversal current of the spin valve element and increasing the speed of magnetization reversal of the spin valve element.
  • the magnetization reversal current is reduced, for example, the reliability of the circuit element for driving the memory element when the spin valve element is used as the memory element of the memory device can be improved, and the size of the circuit element can be reduced. And power consumption during driving can be suppressed.
  • the magnetic reversal can be performed at high speed, data writing to the memory element when the spin valve element is used can be speeded up, and the operation speed of the memory device can be increased.
  • Explanatory drawing which shows the relative relationship of the easy axis of a free layer and a fixed layer in the spin valve element of this invention.
  • Explanatory drawing which shows the relative relationship of the magnetization easy axis
  • Explanatory drawing which shows the relative relationship of the magnetization easy axis
  • FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a configuration of a memory element of a memory device of the present invention.
  • 1 is a block diagram illustrating a configuration of a storage device of the present invention. Sectional drawing which shows the basic composition part of the spin valve element using TMR. Sectional drawing which shows the basic composition part of the spin valve element using GMR.
  • Electrode layer 5 Substrate 21 Electrode layer 22 Antiferromagnetic layer (pinned layer) 23 Ferromagnetic layer (pinned layer) 24 Insulator layer 25 Ferromagnetic layer (free layer) 26 Capping Layer 27 Electrode Layer 30 Insulating Layer 31 Wiring 51 Nonmagnetic Layer 100 Nonvolatile Memory Device
  • the inventor of the present application examined the reduction of the magnetization reversal current.
  • the magnetization reversal current density J c is required to be at least 10 6 A / cm 2 or less from the viewpoint of ensuring the reliability of the MOS-FET.
  • the magnetization reversal current density J c is expressed by the following equation in spin injection magnetization reversal.
  • J c P ⁇ AP ⁇ e (VM s / ⁇ B ) ⁇ [+ H ext + (H U + M s / ⁇ 0 ) / 2] / g (0)
  • J c AP ⁇ P + e (VM s / ⁇ B ) ⁇ [ ⁇ H ext + (H U + M s / ⁇ 0 ) / 2] / g ( ⁇ ) (3)
  • J c P ⁇ AP and J c AP ⁇ P are used for reversing the magnetization of the free layer 25 and the fixed layer from the parallel state to the anti-parallel state, and from the anti-parallel state to the parallel state, respectively.
  • E is the elementary charge
  • V is the volume per element of the free layer
  • M s is the saturation magnetization of the free layer
  • ⁇ B is the Bohr magneton
  • ⁇ is the Gilbert damping coefficient
  • ⁇ Is the magnetic gyro constant
  • H ext is the externally applied magnetic field
  • H U is the anisotropic magnetic field of the free layer
  • ⁇ 0 is the magnetic permeability.
  • g ( ⁇ ) is a coefficient representing the efficiency of spin transfer, and is expressed by the following equation, where ⁇ is an angle formed by the magnetization of the fixed layer and the free layer, and P is a function of the spin polarization.
  • J c is proportional to the volume V of the free layer, for example. Therefore, if the free layer is made thinner, J c can be reduced.
  • the stability of the memory i.e. the thermal stability of the free layer magnetization
  • the stability of is reduced. That is, the thickness of the free layer can be reduced only within the range of the restriction.
  • the other parameters are physical property values of the material. This material development to reduce the magnetization reversal current density J c by focusing on the physical property values is performed, sufficient characteristics are not obtained heretofore.
  • the main technical point of the present invention is that the direction of the easy axis of magnetization of the free layer and the fixed layer is made different to reduce J c P ⁇ AP expressed by the above equation (2) and to invert
  • the purpose is to ensure that the torque due to the injection spin at the start is a finite value and to increase the speed of magnetization reversal.
  • J c P ⁇ AP ⁇ e (VM s / ⁇ B ) ⁇ [+ H ext + (H U + M s / ⁇ 0 ) / 2] / g ( ⁇ ) (6)
  • J c ⁇ P ⁇ AP ⁇ e (VM s / ⁇ B ) ⁇ [+ H ext + (H U + M s / ⁇ 0 ) / 2] / g ( ⁇ ) (6)
  • FIG. 3 shows a relative relationship between the easy magnetization axis of the free layer and the injection spin torque in a conventional spin valve element.
  • the angle of the free layer magnetization is distributed in a certain range due to thermal fluctuation. Regardless of thermal fluctuation, in order for the angle of the free layer magnetization to have a finite angle value with respect to the angle of the fixed layer magnetization, it is desirable that the angle ⁇ is larger than the angle caused by the thermal fluctuation.
  • a Cu thin film (30 nm) is formed as an electrode layer 21 on a substrate 5 such as a silicon wafer with an oxide film, and then CoFeB (20 nm) as a ferromagnetic layer 23, MgO (0.6 nm) as an insulator layer 24, CoFeB (2 nm) is sequentially stacked as the ferromagnetic layer 25 and Cu (2 nm) is sequentially stacked as the capping layer 26.
  • a negative resist is applied, patterning is performed by electron beam irradiation, and an elliptical columnar spin valve element is formed by ion milling or dry etching. Further, an SiO 2 film is formed by CVD or the like to cover the side surfaces of the elliptical columnar spin valve element, and then the resist on the spin valve element is removed by lift-off to form an upper electrode. Thereafter, annealing is performed at 350 to 500 ° C. in a magnetic field of about several kOe (1 Oe ⁇ 79.6 A / m) to determine the easy axis of magnetization of the fixed layer.
  • a nonmagnetic layer 51 such as Cu is used instead of the insulator layer 24.
  • the substrate 5 can be a silicon substrate or a glass substrate, and a copper substrate having a high function as a heat sink is also possible. It is also possible to cool by the method.
  • the electrode layers 21, 29, 31 are Ta, Pt, Cu, Au, Ag, Al, Mo, the antiferromagnetic layer 22 is IrMn, PtMn, and the ferromagnetic layer 23 (fixed layer) is CoFe, CoFeB.
  • the insulating layer 24 is MgO, Al oxide
  • the nonmagnetic layer 51 is Cu
  • the ferromagnetic layer 25 (free layer) is commonly used CoFe, CoFeB
  • the perpendicular easy axis Anisotropy TbFe, TbFeCo, GdFe, GdFeCo, or the like that easily obtains anisotropy or NiFe having a small crystal anisotropy is suitable, but is not limited thereto.
  • Cu and Pd are typical examples of the capping layer 27, but the ferromagnetic layer that can be used in the present invention is not limited to this.
  • the holding force of the ferromagnetic layer 23 (fixed layer) is necessary to make the holding force of the ferromagnetic layer 23 (fixed layer) larger than that of the ferromagnetic layer 25 (free layer).
  • the material of the ferromagnetic layer 23 (fixed layer) and the ferromagnetic layer 25 (free layer) are made the same, and the former film thickness is made larger than the latter film thickness to give a difference in coercive force.
  • an antiferromagnetic layer (pinned layer) 22 is provided, and the retention of the ferromagnetic layer 23 (fixed layer) is increased by antiferromagnetic coupling therewith.
  • an antiferromagnetic coupling film such as CoFeB / Ru / CoFeB may be used.
  • the crystallinity and the easy axis direction of each layer including the fixed layer are controlled by annealing in a magnetic field after laminating them.
  • the in-plane shape of the free layer is an ellipse or a rectangle
  • the aspect ratio is increased to increase the anisotropic magnetic field due to the shape
  • the major axis direction is the easy axis of magnetization.
  • the magnetization easy axis of the fixed layer is determined by the magnetic field application direction in the annealing in the magnetic field, by making the magnetic field application direction different from the long axis direction of the free layer, the magnetization easy axis of the free layer and the fixed layer is determined. Can be different.
  • the in-plane shapes of the free layer and the pinned layer are different (that is, the shape anisotropy imparted to the free layer is not imparted to the pinned layer). Therefore, it can be formed so as not to coincide with the easy axis of magnetization of the free layer.
  • the in-plane shape of the free layer can be processed by normal dry etching using a halogen gas such as Cl 2 , BCl 2 , or SiCl 4 .
  • a halogen gas such as Cl 2 , BCl 2 , or SiCl 4 .
  • it is necessary to stop dry etching between the free layer and the fixed layer for this, for example, an etching end point monitor using plasma emission spectroscopy is used. This is possible.
  • dm / dt ⁇ m ⁇ H eff + ⁇ m ⁇ dm / dt + ⁇ ST ( ⁇ ) Im ⁇ (m ⁇ s) (8)
  • ⁇ ST ( ⁇ ) g ( ⁇ ) ⁇ B / (M s ⁇ V ⁇ e) (9)
  • ⁇ B a Bohr magneton
  • M s the saturation magnetization of the free layer
  • V the free layer volume
  • e the electronic charge.
  • m, s, and H eff are vectors, and therefore, the operation of the “x” symbol acting on the vectors represents an outer product (vector product).
  • a material for the free layer magnetization a CoFe-based material was assumed, and a specific calculation was performed assuming that the shape of the free layer is an ellipse having a major axis of 130 nm ⁇ minor axis of 70 nm and a thickness of 2 mm.
  • Table 1 shows the parameters used in the calculation and the values of the main physical constants.
  • the time t is normalized by ( ⁇ M s ) ⁇ 1 , and the unit standardization time based on the physical property values in Table 1 corresponds to about 17 psec.
  • the xy plane is in the free layer plane
  • the Z axis is the direction perpendicular to the film plane.
  • FIG. 4 to FIG. 4 Examples of calculation of the dynamic behavior of magnetization reversal under the above conditions are shown in FIG. 4 to FIG. 4 by the time change (left figure) of each coordinate of the magnetization unit vector m of the free layer and the three-dimensional display (right figure) of the locus of m. It is shown in FIG. 4 and 5 are calculation examples in the case where the easy axes of the free layer and the fixed layer are parallel in the conventional spin valve element. 4 shows a case where the initial magnetization of the free layer and the fixed layer is exactly parallel, and no magnetization reversal occurs even when a polarized spin current is injected so that the magnetization is antiparallel in this state.
  • FIG. 4 shows a case where the initial magnetization of the free layer and the fixed layer is exactly parallel, and no magnetization reversal occurs even when a polarized spin current is injected so that the magnetization is antiparallel in this state.
  • FIG. 6 shows the case where the initial magnetization of the free layer is exactly parallel to the magnetization easy axis (X axis) of the fixed layer, and shows that magnetization reversal occurs at the normalization time 179.
  • FIG. 7 shows a case where the initial magnetization of the free layer coincides with the easy axis of the free layer itself and forms an angle of 15 ° with respect to the easy axis (X axis) of the fixed layer.
  • FIG. 6 shows the case where the initial magnetization of the free layer is exactly parallel to the magnetization easy axis (X axis) of the fixed layer, and shows that magnetization reversal occurs at the normalization time 179.
  • FIG. 7 shows a case where the initial magnetization of the free layer coincides with the easy axis of the
  • the magnetization reversal time increases as the tilt angle ⁇ of the easy magnetization axis increases. There is a tendency to shorten. From FIG. 3, it can be easily estimated that the initial torque increases, and this tends to coincide with this.
  • FIG. 9 schematically shows magnetic memory elements constituting a cross-point type memory cell array, which is an embodiment of the nonvolatile memory device according to the present invention, by a variable resistor 8 symbol.
  • FIG. 10 is a block diagram showing a configuration of a memory array of the nonvolatile memory device 100 driven by word lines and bit lines.
  • the magnetic memory element of the present invention can be switched by spin transfer magnetization reversal. Therefore, the cross-point type memory is formed by forming the upper electrode and the lower electrode in an array and providing a magnetic memory element connected to both electrodes in the vicinity of the intersection.
  • each crosspoint is provided with an additional circuit having one or more transistors and a positive and negative power supply line.
  • the current of the output stage transistor of the word line decoder 110 or the bit line data element 120 or the transistor connected to the spin valve element is the same in the spin valve element having the features of the present invention. Reduced.
  • a current detection unit included in the bit line decoder 120 and provided corresponding to each bit line is selected by a word line decoder that operates in the same manner as in writing. A current flowing through each bit line is detected with respect to the word line to be accessed, and a voltage value corresponding to the resistance of the memory cell 8 corresponding to each bit line is detected in the word line with the word to be accessed. Read the status.
  • the magnetization reversal current in the spin injection magnetization reversal spin valve element is reduced.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications, changes and combinations are possible based on the technical idea of the present invention.

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Abstract

　磁化反転のための電流を低減し、動作を高速にするため、１層の絶縁体層または非磁性層からなる中間層（２４、５１）と、中間層を挟む１対の強磁性層（２３、２５）とを備え、１対の強磁性層の強磁性層の保磁力が互いに異なるスピンバルブ素子またはそのスピンバルブ素子を用いる記憶装置であって、１対の強磁性層の強磁性層の磁化容易軸（１０、１２）の方向を互いに異なるようにし、また、好適には、磁化容易軸の間の角度を一定の範囲に設定する。

Description

スピンバルブ素子および記憶装置
　本発明は、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）または巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）を用いるスピンバルブ素子およびスピンバルブ素子を用いる記憶装置に関する。
　近年、ナノエレクトロニクスの進展に伴い、微小サイズの磁性材料固有の物理現象を応用する製品の開発が進められている。それらのうちでも、特に、磁性材料の自由電子が有するスピンの性質を利用する分野はスピンエレクトロニクス分野と呼ばれて精力的な技術開発が進められている。
　このスピンエレクトロニクス分野の中で、現在最も実用可能性が高いと見られているものに、強磁性層、絶縁層、強磁性層の積層構造において生じるトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌ　Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果、または、強磁性層、非磁性層（導電層）、強磁性層の積層構造において生じる巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Ｇｉａｎｔ　Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果を応用するスピンバルブ素子がある。従来および本発明におけるスピンバルブ素子の構成例を図１１および１２に示す。
　図１１はＴＭＲを利用するスピンバルブ素子の基本構成部分を断面図により示す。このスピンバルブ素子は、基板５の上に構成された、１層の絶縁体層２４と、該絶縁体層を挟む対をなす強磁性層２３（固定層）および強磁性層２５（フリー層）と、電極層２１、２７とからなっており、必要に応じて、反強磁性層（ピン止め層）２２、キャッピング層２６などが追加される。固定層２３の磁化は反強磁性層２２との磁気結合などにより固定されている。フリー層２５の磁化は、偏極電流によるスピン注入により、または、外部磁界により制御される。
　スピン注入による制御においては、この素子に固定層２３から電子を流すと、フリー層２５の磁化には固定層２３の磁化と平行となろうとするようなトルクが働く。また、その逆にフリー層２５から固定層２３に向かって電子を流すとフリー層２５の磁化には固定層２３の磁化と反平行となろうとするようなトルクが働く。これらの作用により、フリー層２５の磁化方向を電流の向きにより制御することが可能となる（スピン注入磁化反転）。
　図１２には、ＧＭＲを利用するスピンバルブ素子の基本構成部分を断面図により示す。ＧＭＲを利用するスピンバルブ素子と図１１のＴＭＲを利用するスピンバルブ素子との違いは、ＴＭＲを利用するスピンバルブ素子においては絶縁体層２４が非磁性層５１に置き換わっていることであり、それ以外の構成は基本的に同じである。
　また、外部磁界により磁化を制御するスピンバルブ素子を用いる構成（外部磁化反転）において、配線の角度と磁化容易軸方向との関係を定める例が特許文献１に開示されている。
特開２００５－１４２２９９号公報
　スピン注入磁化反転や外部磁化反転を用いるスピンバルブ素子の応用としては、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：　Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）が最も注目を浴びており、従来のＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）やＳＲＡＭ（Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ＤＲＡＭ）の代替として期待されている。ＭＲＡＭは、潜在的には、高速動作、低消費電力、低電圧動作、高書換え耐久性など、優れた技術的特性を示す。特に、前述のようにスピン注入磁化反転による書込みを行なうことによって、構造が簡素化されるため、ＭＲＡＭは高密度化も可能となる。スピンバルブ素子を用いるＭＲＡＭの実用化に関する最も大きな技術課題の一つに、磁化反転電流を低減させることがある。
　また、磁化反転に関わるもうひとつの課題として、ＭＲＡＭを高速動作させるために必要な書換え動作の高速化がある。一般に、フリー層の磁化が固定層の磁化に対して完全に平行、もしくは反平行であると、注入スピンによる反転方向（図２における円周方向）へのトルクはゼロとなり、反転が開始されない。実際には熱ゆらぎによりフリー層磁化は固定層磁化に対して有限の角度をもつので、多くの場合、反転は観測されるが、反転動作と反転時間には確率的な要素が本質的に残存している。また、幾何的配置から、初期の反転トルクは小さくなるので磁化の回転に時間が必要であるため、磁化反転を高速化することができない。
　上記事情に鑑み、本発明は、スピン注入磁化反転スピンバルブ素子における磁化反転電流を低減すること、または、磁化反転を高速することを目的とする。
　本願の発明者は、フリー層の磁化容易軸方向を固定層の磁化容易軸方向と異なるようにすることによって磁化反転電流の低減または磁化反転が高速に行えることを見出し、本願の発明に至った。
　すなわち、本願においては、１層の絶縁体層または非磁性層からなる中間層と、該中間層を挟む１対の強磁性層とを備えるスピンバルブ素子であって、前記１対の強磁性層の各強磁性層の保磁力が互いに異なっており、前記１対の強磁性層の各強磁性層の磁化容易軸の方向が互いに異なっているスピンバルブ素子が提供される。
　磁化容易軸は、形状異方性、隣接する反強磁性層の影響、成膜時の配向性などによって人為的に設定することができる。そのため、フリー層と固定層とで磁化容易軸の向きを意図的に異なるようにすることができる。
　また、保持力が異なる強磁性層を実現するためには、強磁性層そのものの磁性を異ならせることによって保持力を変更した強磁性層の対とすること、他の層（例えばピン層となる反強磁性層）と組み合わせて一方のみの実効的な保持力を大きくした磁性層の対とすること、膜厚を異ならせて保持力の異なる強磁性層の対とすることなどを用いることができる。
　本発明においては、好適には、磁化容易軸の方向が、強磁性層の面内において互いに異なるようにすることができる。強磁性層の面内において互いに磁化容易軸が異なる状態とは、典型的には、強磁性層の磁化容易軸がともにその層の面内にあり、互いに方向が異なっているような状態をいい、それ以外にも、各強磁性層の磁化容易軸の方向の方向ベクトルを強磁性層の面に射影したときに、その射影された方向が異なるように強磁性層の磁化容易軸が向いているものも含む。
　また、本発明においては、　前記１対の強磁性層それぞれの磁化容易軸のなす角度θが、下記（１）式を満たすスピンバルブ素子とすると好適である。
　（ｋ×Ｔ）／（Ｋu×Ｖ）＜ｓｉｎ２θ＜０．２５　（１）
ここで、Ｋｕは磁気異方性定数、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度で表わした作動時の温度、Ｖは保磁力が小さい方の強磁性層の素子一つ当たりの体積である。磁化容易軸の間の角度の正弦（ＳＩＮ）成分を二乗した値を、磁気異方性定数、保持力といった物性値と温度とによって定まる一定の値（式（１）、左辺）より大きくすると、熱揺らぎの影響を受けずに安定した角度を維持することができる。一方で、その値には、ＭＲ比、安定点への収束性などから一定の上限もある。本願発明者は、上記の条件を満たすように磁化容易軸が設定されていると、これらの技術的要求を満たしうることを見出した。
　また、磁化容易軸は形状の影響を受けるため、強磁性層の膜の形状を調整することも好適である。すなわち、前記一対の強磁性層の少なくともいずれかの強磁性層の周縁の形状が、当該強磁性層の面に含まれる第１の方向と該面に含まれ該第１の方向に直交する第２の方向との範囲が互いに異なっている形状であることが好適である。強磁性層のうち、保持力の大きい層（固定層）か保持力の小さい層（フリー層）のいずれかまたは両方の周縁の形状は、一方向（例えば第１の方向）が、それに直交する方向（第２の方向）より大きくなる形状とすることができる。この形状の例としては、長方形や楕円形を挙げることができる。
　本発明においては、上述のいずれかの特徴を有するスピンバルブ素子を記憶素子として用いる記憶装置も提供される。
　本発明は、スピンバルブ素子の磁化反転電流を低減すること、またはスピンバルブ素子の磁化反転を高速にすることの少なくともいずれかを達成することができるとの効果を奏する。磁化反転電流が低減されると、例えば記憶装置の記憶素子として当該スピンバルブ素子を用いた場合の記憶素子を駆動するための回路素子の信頼性が向上し、回路素子のサイズを低減することができ、そして、駆動時の消費電力を抑制することができる。また、磁反転を高速にすることができると、当該スピンバルブ素子を用いた場合の記憶素子へのデータの書込みが高速化され、記憶装置の動作速度を高めることができる。
本発明のスピンバルブ素子における、フリー層と固定層の磁化容易軸の相対関係を示す説明図。 従来のスピンバルブ素子における、フリー層の磁化容易軸と注入スピントルクの相対関係を示す説明図。 本発明のスピンバルブ素子における、フリー層の磁化容易軸と注入スピントルクの相対関係を示す説明図。 従来のスピンバルブ素子における磁化反転挙動の計算例１。 従来のスピンバルブ素子における磁化反転挙動の計算例２。 本発明のスピンバルブ素子における磁化反転挙動の計算例１。 本発明のスピンバルブ素子における磁化反転挙動の計算例２。 本発明のスピンバルブ素子における磁化反転挙動の計算例３。 本発明の記憶装置のメモリー素子の構成を示す模式図。 本発明の記憶装置の構成を示すブロック図。 ＴＭＲを利用するスピンバルブ素子の基本構成部分を示す断面図。 ＧＭＲを利用するスピンバルブ素子の基本構成部分を示す断面図。
符号の説明
　５　基板
　２１　電極層
　２２　反強磁性層（ピン止め層）
　２３　強磁性層（固定層）
　２４　絶縁体層
　２５　強磁性層（自由層）
　２６　キャッピング層
　２７　電極層
　３０　絶縁層
　３１　配線
　５１　非磁性層
　１００　不揮発性記憶装置
　以下、本発明の実施の形態について説明する。まず、本願発明者は、磁化反転電流の低減について検討した。メモリー選択素子としてＭＯＳ－ＦＥＴを用いる場合、ＭＯＳ－ＦＥＴの信頼性確保の観点から、磁化反転電流密度Ｊcは少なくとも１０６Ａ／ｃｍ２以下であることが求められている。一般に、スピン注入磁化反転において、磁化反転電流密度Ｊcは下式で表されることが知られている。
Ｊc P→AP＝－ｅ（ＶＭs/μB）αγ［＋Ｈext＋（ＨU＋Ｍs/μ0）/２］/ｇ（０） （２）
Ｊc AP→P＝＋ｅ（ＶＭs/μB）αγ［－Ｈext＋（ＨU＋Ｍs/μ0）/２］/ｇ（π） （３）
ここで、Ｊc P→AP、Ｊc AP→Pは、それぞれ、フリー層２５と固定層の磁化が平行状態から反平行状態へ反転するための、および、反平行状態から平行状態へ反転するための閾値電流密度であり、ｅは電気素量、Ｖはフリー層の素子一つ当たりの体積、Ｍsはフリー層の飽和磁化、μBはボーア磁子、αはギルバートのダンピング係数、γは磁気ジャイロ定数、Ｈextは外部印加磁界、ＨUはフリー層の異方性磁界、そして、μ０は透磁率である。また、ｇ（θ）はスピントランスファーの効率を表す係数であり、θを固定層とフリー層の磁化がなす角度、Ｐをスピン偏極率の関数として次式で表される。
　ｇ（θ）＝［－４＋（Ｐ１／２＋Ｐ－１／２）３×（３＋ｃｏｓθ）／４］－１
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｆｏｒ　ＧＭＲ　（４）
　ｇ（θ）＝Ｐ／（１＋Ｐ２ｃｏｓθ）　　　　　　ｆｏｒ　ＴＭＲ　（５）
スピン注入磁化反転の場合、外部印加磁界Ｈextは０である。また、（４）、（５）式から、一般にｇ（π）＞ｇ（０）であるので、Ｊc P→AP＞Ｊc AP→Pである。
　（２）、（３）式によれば、Ｊcは例えばフリー層の体積Ｖに比例するので、フリー層を薄くすればＪcを小さくすることができる。しかしながら、メモリーとしての安定性、即ちフリー層磁化の熱安定性は、Ｋuを磁気異方性としてＫu×Ｖと記述することができるため、フリー層を薄く（Ｖを小さく）するとメモリーとしての安定性は低下する。つまり、フリー層の厚みは当該制限の範囲でしか小さくすることはできない。さらに、その他のパラメータは材料のもつ物性値である。この物性値に注目して磁化反転電流密度Ｊcを小さくするための材料開発は行なわれているが、これまで充分な特性が得られていない。
　本発明の主な技術的ポイントは、フリー層と固定層の磁化容易軸の方向を異なるものとすることにより、上述の（２）式で表されるＪc P→APを低減するとともに、反転開始時の注入スピンによるトルクを確実に有限の値とし、磁化反転の高速化を実現することにある。
　図１に示すように、フリー層の磁化容易軸１０と固定層の磁化容易軸１２とのなす角度をθとすると、注入スピン電流が無い時のフリー層の磁化と固定層の磁化も角度θをなす。従って、フリー層２５と固定層２３の磁化が平行状態から反平行状態へ反転するための閾値電流密度Ｊc P→APは、
　Ｊcθ P→AP＝－ｅ（ＶＭs/μB）αγ［＋Ｈext＋（ＨU＋Ｍs/μ０）/２］/ｇ（θ）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（６）
によって表される。ここで、一般にｇ（θ）＞ｇ（０）であるので、Ｊcθ P→AP＜Ｊc P→APであり、（２）式で表されるθ＝０を代入した場合に比して閾値電流密度を低くすることができることがわかる。同様にして、ｇ（θ＋π）＜ｇ（π）であるので、Ｊcθ AP→P＞Ｊc AP→Pとなるが、θ＜π／２では、Ｊcθ P→AP＞Ｊcθ AP→Pであるので、その範囲では、電流密度の閾値を実質的に低くする効果がある。
　また、図３に示すようにフリー層の磁化が注入されるスピンによるトルクに対して角度θを持つことにより、反転開始時のトルクがゼロでない値となることは明らかである。比較のため、図２に、従来のスピンバルブ素子における、フリー層の磁化容易軸と注入スピントルクの相対関係を示している。前述のように、熱ゆらぎによりフリー層磁化の角度はある範囲に分布する。熱ゆらぎに関わらず、フリー層磁化の角度が固定層磁化の角度に対して有限の角度値をもつようにするには、角度θが、熱ゆらぎによってもたらされる角度よりも大きいことが望ましい。一般に、磁化の傾きθによる異方性エネルギーが熱エネルギーと同等になる条件は、Ｋu×Ｖ×ｓｉｎ２θ＝ｋＴ（ここで、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度で表わした作動時の温度）として表されるので、
　（ｋ×Ｔ）／（Ｋu×Ｖ）＜ｓｉｎ２θ　（７）
であることが望ましい。例えば、フリー層の材料としてＣｏＦｅ系材料を想定し、Ｋu＝４ｘ１０４Ｊｍ３、フリー層の形状を長径１３０ｎｍ×短径７０ｎｍの楕円状で厚さ２ｎｍ、素子一つ当たりの体積Ｖ＝１．４×１０－２３ｍ３とすると、温度３００Ｋでの熱エネルギー４．１４ｘ１０－２１Ｊを用いて、（７）式より、θ＞０．０３５πラジアン（＝６．３°）を得る。
　傾き角度θが大きくなるにつれて、Ｊcが減少し磁化反転時間も短くなるが、その一方で、磁化反転によるスピンバルブ素子の電気抵抗比率（ＭＲ比）が減少し、かつ、後述するように、磁化反転後、安定点への収束が遅くなる傾向がある。安定点への収束が遅くなるのは、注入スピンとフリー層の異方性磁界の２つの駆動力がバランスし、それに沿った歳差運動が安定になっているものと推定される。これら２つの制限条件から、θの実際的な上限を定めるとすれば約３０°（＝π／６ラジアン）程度とするのが好適であることも見出した。
　ＴＭＲ方式のスピンバルブ素子の作製手順例を以下に示す。以下であげる各層の材料、膜厚は一例である。酸化膜付きのシリコンウエファー等の基板５上に、電極層２１としてＣｕ薄膜（３０ｎｍ）を形成し、その後、強磁性層２３としてＣｏＦｅＢ（２０ｎｍ）、絶縁体層２４としてＭｇＯ（０．６ｎｍ）、強磁性層２５としてＣｏＦｅＢ（２ｎｍ）、キャッピング層２６としてＣｕ（２ｎｍ）を順次積層する。さらに、ネガレジストを塗布し、電子線照射によりパターニングを施し、イオンミリング、もしくはドライエッチにより楕円柱状のスピンバルブ素子を形成する。さらにＣＶＤ法等によりＳｉＯ２膜を形成して前記楕円柱状のスピンバルブ素子の側面を被覆した後、スピンバルブ素子上のレジストをリフトオフにより除去し、上部電極を形成する。その後、数ｋＯｅ（１Ｏｅ≒７９．６Ａ／ｍ）程度の磁場中、３５０～５００℃でアニールを行うことで固定層の磁化容易軸を決定する。またＧＭＲ方式のスピンバルブ素子の場合は、絶縁体層２４に代って、Ｃｕなどの非磁性層５１が用いられる他は、基本的には同様の作製手順が用いられる。
　本発明のスピンバルブ素子を構成する材料としては、基板５としてはシリコン基板、ガラス基板が可能であり、またヒートシンクとしての機能が高い銅基板も可能であり、必要に応じてこれらを水冷などの方法で冷却することも可能である。電極層２１、２９、３１としてはＴａ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｍｏ、反強磁性層２２としてはＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、そして、強磁性層２３（固定層）としてはＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢが好適であり、絶縁層２４としてはＭｇＯ、Ａｌ酸化物、非磁性層５１としてはＣｕ、強磁性層２５（フリー層）としては、一般に用いられるＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢの他、垂直方向の磁化容易軸となる異方性の得やすいＴｂＦｅ、ＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＦｅ、ＧｄＦｅＣｏなどや、結晶異方性の小さいＮｉＦｅが好適であるが、これに限定されるものではない。また、キャッッピング層２７としてＣｕ、Ｐｄが代表例としてあげられるが、本発明に用いることができる強磁性層がこれに限定されるものではない。
　スピンバルブ素子として機能を発現するには、強磁性層２３（固定層）の保持力を強磁性層２５（フリー層）より大きくすることが必要である。この方法としては、強磁性層２３（固定層）と強磁性層２５（フリー層）の材質を同じにして、前者の膜厚を後者の膜厚より大きくすることにより保磁力差をつけることが行われている。また、反強磁性層（ピン止め層）２２を付与し、それとの反強磁性結合で強磁性層２３（固定層）の保持力を高くすることも行なわれている。また必要に応じて、例えばＣｏＦｅＢ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢなど反強磁性結合膜とすることも可能である。固定層を含む各層の結晶性や磁化容易軸方向は、これらを積層後、磁場中アニールを施すことで制御される。
　フリー層と固定層の磁化容易の方向を相互に異なることとするには以下の方法がある。即ち、フリー層の面内形状を楕円、長方形とし、そのアスペクト比を大きくして形状による異方性磁界を大きくし、その長軸方向を磁化容易軸とする。一方、固定層の磁化容易軸は、前記磁場中アニールにおける磁場印加方向により定まるので、この磁場印加方向とフリー層の長軸方向を異なるものとすることにより、フリー層と固定層の磁化容易軸を異なるものとすることができる。フリー層と固定層の面内形状は異なる（即ち、フリー層に付与する形状異方性を固定層には付与しない）ことが望ましいが、仮に同じ形状としても、固定層の磁化容易軸は隣接する反強磁性層２２で規定されるので、フリー層の磁化容易軸とは一致しないように形成することができる。フリー層の面内形状は、Ｃｌ２、ＢＣｌ２、ＳｉＣｌ４などのハロゲンガス等を用いた通常のドライエッチングで加工可能である。また、フリー層と固定層の面内形状を変えるには、ドライエッチをフリー層と固定層の中間でストップさせる必要があるが、これは、例えばプラズマ発光分光を用いたエッチング終点モニタを用いることなどにより可能である。
　以下に、スピン注入によるフリー層磁化挙動の計算例を示す。計算はランダウ・リフシツ・ギルバート方程式（ＬＬＧ方程式）にスピン注入項を加えた以下の（８）、（９）式を用い、フリー層全体を１つの磁化と考えるマクロスピン近似によった。
　ｄｍ/ｄｔ＝γｍ×Ｈeff＋αｍ×ｄｍ/ｄｔ＋βST（θ）Ｉｍ×（ｍ×ｓ） （８）
　βST（θ）＝ｇ（θ）μB／（Ｍs×Ｖ×ｅ）　（９）
ただし、ｍ、ｓは、固定層、固定層の磁化の方向を示す単位ベクトル、γは磁気ジャイロ定数、Ｈｅｆｆは有効磁場、αはギルバートのダンピング定数、１は電流、θはｓとｍのなす角、μBはボーア磁子、Ｍsはフリー層の飽和磁化、Ｖはフリー層体積、ｅは電子電荷である。ここで、ｍ、ｓ、Ｈｅｆｆはベクトルであり、このため、ベクトル同士に作用する「×」記号の演算は、外積（ベクトル積）を表わす。フリー層磁化の材料としてはＣｏＦｅ系材料を想定し、フリー層の形状を長径１３０ｎｍｘ短径７０ｎｍの楕円状で厚さ２ｍｍとして具体的な計算を行った。計算に用いたパラメータと主な物理定数の値を表１に示す。また、時間ｔは（γＭs）－１で規格化しており、表１の物性値による単位規格化時間は、約１７ｐｓｅｃに相当する。以下の計算では、ｘ－ｙ平面をフリー層面内、Ｘ軸を固定層の磁化容易軸（＝スピン注入Ｓの方向）、Ｚ軸を膜面に垂直な方向としている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　上記の条件による磁化反転の動的挙動の計算例を、フリー層の磁化単位ベクトルｍの各座標の時間変化（左図）と、ｍの軌跡の３次元表示（右図）とによって図４～８に示す。図４および５は、従来のスピンバルブ素子において、フリー層と固定層の磁化容易軸が平行の場合の計算例である。そのうち、図４はフリー層と固定層の初期磁化が正確に平行な場合であり、この状態で磁化が反平行となるような偏極スピン電流を注入しても磁化反転は起こらない。また、図５はフリー層の初期磁化が固定層に対して６°傾いている場合であり、フリー層の磁化容易軸を中心とする歳差運動を繰り返しながら、規格化された時間の単位で時刻（規格化時間）２４５の時点で磁化の反転が起きている。従来の磁化反転現象は、おおよそこの２つの例で表される。
　これに対し、図６および７は、本発明のスピンバルブ素子において、フリー層と固定層の磁化容易軸が１５°（＝π／１２ラジアン）の角度をなす場合である。このうち、図６はフリー層の初期磁化が固定層の磁化容易軸（Ｘ軸）に正確に平行な場合であり、規格化時間１７９において磁化反転が起きていることを示している。また、図７はフリー層の初期磁化が、フリー層自体の磁化容易軸に一致して、固定層の磁化容易軸（Ｘ軸）に対して１５°の角度をなす場合である。従来の図４の場合と異なり、初期状態でも有限のトルクが存在するので、規格化時間４２０で磁化反転が起きている。また、図６のフリー層の磁化が磁化容易軸と１５°異なっているという初期状態は、熱ゆらぎの範囲である６°を超えるものであるが、図４との比較を行なうため、あえて試算したものである。初期磁化の向きはフリー層の磁化容易軸方向（θ）に熱ゆらぎの効果を加えた角度となる。この熱ゆらぎまで考慮した後の角度をβとすると、ｇ（β）＞ｇ（０）が成り立つため、上記の場合（図６および７）の磁化反転のための閾値電流密度Ｊcは、従来（図４および５）より小さく抑えられていることは明らかである。
　図８は、フリー層と固定層の磁化容易軸が３０°（＝π／６ラジアン）の角度をなし、かつ、フリー層の初期磁化がフリー層自体の磁化容易軸に一致している場合を示している。この場合、フリー層の磁化は規格化時間３７０で反転している。図７と図８とを比較すればわかるように、フリー層の初期磁化がフリー層自体の磁化容易軸に一致している条件においては、磁化容易軸の傾き角度θが大きいほど磁化反転時間が短くなる傾向が認められる。これは、図３から、初期のトルクが大きくなることが容易に推測され、それと一致する傾向である。しかしながら、前述のように、傾き角度θが大きくなると、磁化反転によるスピンバルブ素子の電気抵抗比率（ＭＲ比）が減少し、かつ磁化反転後に安定点への収束が遅くなる傾向が認められる。この傾向は、図７と図８における磁化ｍのｘ成分の振動の減衰の違いとして現れている。
　次に、本発明のスピンバルブ素子（磁気メモリー素子）をメモリーセルとして使用した不揮発記憶装置（本発明装置）の一構成例について図９および図１０を用いて説明する。
　図９は本発明に係る不揮発記憶装置の一実施例であるクロスポイント型メモリーセルアレイを構成する磁気メモリー素子を可変抵抗８の記号によって模式的に示している。また、図１０は、ワード線とビット線とによって駆動される不揮発性記憶装置１００のメモリーアレイの構成を示すブロックダイアグラムである。既に説明したように本発明の磁気メモリー素子は、スピン注入磁化反転によってスイッチングが可能となる。そこで、上部電極、下部電極をアレイ状に形成し、その交点付近に磁気メモリー素子を両電極に接続して設けることによりクロスポイント型メモリーが形成される。例えば、あらかじめＳｉ基板上に適当な絶縁膜を通じて配線を形成しその上部に本発明の磁気メモリー素子を形成し、上部電極を更に形成することが可能である。これにより、正極性および負極性の電気パルスをフリー層側から印加することで効率的にスイッチングを行うことが可能である。
　メモリーの内容が書き込まれる際には、ワードラインデコーダ１１０によって、ワードラインＷＬｉ（ｉ＝１～ｎ）のうちのアクセスされるワードに対応するラインが選択され、その選択されたワードラインに接続されたメモリーセルの行に対して書き込むべきデータに対応する信号がビットラインデコーダ１２０からビットラインＢＬｊ（ｊ＝１～ｍ）を通じて対応するメモリーセルに対して印加される。そして、ビットラインの電圧との差を取ると、アクセスされるワードラインに接続されたメモリーセルのそれぞれに対して、必要なデータに応じてセット動作またはリセット動作が実現するような信号がビットラインデコーダ１２０から印加される。図示しないが、各クロスポイントにはトランジスタを１つ以上有する付加回路や正負の電源線が備えられていて、アドレスされた信号に応じてトランジスタが開閉することによって、スピンバルブ素子に正負のパルスを印加するようになっていてもよい。いずれの構成であっても、ワードラインデコーダ１１０やビットラインデー子だ１２０の出力段のトランジスタ、あるいは、スピンバルブ素子に接続されたトランジスタの電流は、本発明の特徴を備えるスピンバルブ素子においては低減される。
　また、メモリーの内容が読み出される際には、ビットラインデコーダ１２０に含まれ、各ビットラインに対応して設けられる電流検出部（図示しない）が、書き込み時と同様に動作するワードラインデコーダによって選択されるワードラインに対して各ビットラインが流す電流を検出し、アクセスされるワードのあるワードラインにおいて各ビットラインに対応するメモリーセル８の抵抗に応じた電圧値を検出して、メモリーセル８の状態を読み出す。
　以上、本発明の実施形態により説明したように、本発明の実施の態様においては、スピン注入磁化反転スピンバルブ素子における磁化反転電流が低減される。また、本発明の実施の形態においては、磁化反転の高速化を実現することができる。本発明は既述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形、変更および組合せが可能である。

Claims (6)

  1. 　１層の絶縁体層または非磁性層からなる中間層と、該中間層を挟む１対の強磁性層とを備えるスピンバルブ素子であって、
    　前記１対の強磁性層の各強磁性層の保磁力が互いに異なっており、前記１対の強磁性層の各強磁性層の磁化容易軸の方向が互いに異なっているスピンバルブ素子。
  2. 　前記１対の強磁性層の各強磁性層の磁化容易軸の方向が、強磁性層の面内において互いに異なることを特徴とする、請求項１に記載のスピンバルブ素子。
  3. 　前記１対の強磁性層それぞれの磁化容易軸のなす角度θが下記（１）式を満たす請求項１に記載のスピンバルブ素子。
    　（ｋ×Ｔ）／（Ｋu×Ｖ）＜ｓｉｎ２θ＜０．２５
    ここで、Ｋｕは磁気異方性定数、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度で表わした作動時の温度、Ｖは保磁力が小さい方の強磁性層の素子一つ当たりの体積である。
  4. 　前記一対の強磁性層の少なくともいずれかの強磁性層の周縁の形状が、当該強磁性層の面に含まれる第１の方向と該面に含まれ該第１の方向に直交する第２の方向との範囲が互いに異なっている形状である、請求項１～３のいずれかに記載のスピンバルブ素子。
  5. 　請求項１～３のいずれかに記載のスピンバルブ素子を記憶素子として用いる記憶装置。
  6. 　請求項４に記載のスピンバルブ素子を記憶素子として用いる記憶装置。
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