WO2012008349A1 - 磁気抵抗素子、磁気メモリセル及び磁気ランダムアクセスメモリ - Google Patents

磁気抵抗素子、磁気メモリセル及び磁気ランダムアクセスメモリ Download PDF

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早川　純
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株式会社日立製作所
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    • H10N50/10—Magnetoresistive devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • 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 magnetic memory cell for writing magnetic information by electric means and a large-capacity multi-value magnetic memory equipped with the same.
  • Non-volatile magnetic memories and magnetic recording devices are required to have a technique for recording and reading recorded magnetic information as multi-value information in order to increase its capacity.
  • Japanese Patent Publication No. 2007-504651 discloses a multi-value magnetic memory in which two or more tunnel magnetoresistive elements are stacked on a MOSFET.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-237183 discloses a large-capacity magnetic recording apparatus that reads out a large number of magnetic bit information arranged on magnetic thin wires separated by a domain wall with a single magnetoresistive element.
  • An object of the present invention is to provide a magnetic memory cell and a large-capacity nonvolatile magnetic memory that can meet such a demand.
  • the magnetoresistive element of the present invention includes a nonmagnetic layer, a first tunnel magnetoresistive element and a second tunnel magnetoresistive element connected in series across the nonmagnetic layer, and the first tunnel magnetoresistive element via the nonmagnetic layer.
  • the first tunnel magnetoresistive element includes a first barrier layer, a first free layer and a first fixed layer provided with the first barrier layer interposed therebetween, and the second tunnel magnetoresistive element Has a second barrier layer, a second free layer and a second fixed layer sandwiching the second barrier layer.
  • the first pinned layer is disposed farther than the first free layer with respect to the nonmagnetic layer, and the second pinned layer is disposed farther than the second free layer.
  • the first free layer is disposed farther than the first pinned layer and the second free layer is disposed farther than the second pinned layer with respect to the nonmagnetic layer.
  • the magnetization direction of the first free layer and the second free layer is controlled by switching the current by passing a current through a pair of tunnel magnetoresistive elements arranged via the nonmagnetic layer. Use. With such a tunnel magnetoresistive element, ternary information recording can be realized.
  • the nonmagnetic layer is formed between the first free layer or the first fixed layer of the first tunnel magnetoresistive element and the second free layer or the second fixed layer of the second tunnel magnetoresistive element. It is necessary to have a film thickness that does not cause mechanical bonding.
  • the free layer and / or the fixed layer of the first and second tunnel magnetoresistive elements can be a film containing at least one of Co and Fe and B.
  • the barrier layer may be a magnesium oxide.
  • the magnetic memory cell of the present invention has the magnetoresistive element of the present invention and a switching element that controls on / off of the current flowing through the magnetoresistive element, and records information by the current flowing through the magnetoresistive element via the switching element. Is to do.
  • or more is applied in the first direction, and then the current is returned to zero.
  • a magnetic random access memory includes the magnetic memory cell according to the present invention arranged in an array, and selection control means for selecting one of a plurality of magnetic memory cells to write or read information. .
  • the selection control means passes through the magnetoresistive element of the selected magnetic memory cell in the first direction with a current of
  • flowing in the second direction are selectively passed according to a predetermined sequence, whereby the first information and the second information are obtained.
  • the third information is written.
  • the present invention it is possible to provide a magnetic memory having a capacity more than twice that of the conventional one, and it is possible to increase the capacity.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of a magnetoresistive element according to the present invention.
  • the magnetoresistive element 10 includes a first electrode film 101, a protective film 201, a first tunnel magnetoresistive element 300, a nonmagnetic layer 401, a second tunnel magnetoresistive element 500, an orientation control film 202, and a second electrode. Formed by the film 102.
  • the first tunnel magnetoresistive element 300 includes an antiferromagnetic layer 601, a fixed layer 301, a barrier layer 302, and a free layer 303
  • the second tunnel magnetoresistive element 500 includes a free layer 501 and a barrier layer. 502, a fixed layer 503, and an antiferromagnetic layer 602.
  • each layer of the magnetoresistive element 10 of the present invention was formed using a sputtering method.
  • all or part of the magnetoresistive element 10 may be formed by molecular beam epitaxy, laser ablation, or sputtering using an ion beam.
  • the second electrode film 102 a Ta, Ru, Cu, CuN film or a multilayer film thereof can be used.
  • the orientation control layer 202 NiFe, NiFeCr, Ru, or the like can be used.
  • Materials may be used. It is also desirable to use an amorphous film having a high melting point such as Ta or Pt. MnIr (8 nm) was used for the antiferromagnetic layer 602, but the film thickness can be selected in the range of 4 to 15 nm.
  • an antiferromagnetic layer made of a Mn compound such as MnPt or MnFe is used, antiferromagnetic coupling can be stably realized. Furthermore, it is possible to apply an antiferromagnetic film excellent in high-temperature heat treatment resistance composed of an element not containing Mn.
  • the high temperature indicates a temperature of 300 ° C. or higher.
  • a ferromagnetic film such as CoFe or CoFeB can be used.
  • a laminated ferri type fixed layer made of CoFe / Ru / CoFe having a large magnetization fixing force may be used.
  • CoFeB can be used instead of CoFe.
  • a laminated film having a laminated structure such as CoFe / Ru / CoFeB or CoFe / Ru / CoFeB / CoFe as viewed from the antiferromagnetic layer 602 side may be used. Is possible. By providing a fixed layer made of these materials, a high output can be obtained.
  • Ir, Os, etc. which have better thermal diffusion resistance than Ru, can be used.
  • the barrier layer 502 is made of a material that is not a metal such as oxide, nitride, or semiconductor. Among these, it is desirable to use MgO, MgZnO, etc. which are oxides containing magnesium. It is also possible to produce the MgO target by using a process of forming a film by sputtering, oxidizing Mg in an oxidizing plasma atmosphere, or naturally oxidizing without using plasma.
  • the barrier layer preferably has a rock salt structure and has a (001) orientation as the main orientation, but may have an amorphous structure. Also, by applying MgZnO, the resistance of the tunnel magnetoresistive element can be reduced, and a large current can be applied to the element.
  • the barrier layer can be formed of a semiconductor such as Ge or ZnSe.
  • a barrier layer formed by stacking two or more different barrier layer materials such as MgO, MgZnO, ZnO, Ge, and ZnSe in multiple layers may be used.
  • a ferromagnetic film such as CoFe or CoFeB can be used.
  • a laminated ferrimagnetic free layer composed of CoFe / Ru / CoFe and having a large magnetization coupling force may be used.
  • CoFeB can be used instead of CoFe.
  • CoFeB / Ru / CoFeB When a magnesium oxide is used for the barrier layer 502, as seen from the barrier layer 502 side, CoFeB / Ru / CoFeB, CoFeB / CoFe / Ru / CoFe, CoFe / CoFeB / CoFe, CoFe / CoFeB / It is also possible to use a laminated film having a laminated structure such as CoFe / Ru / CoFe / CoFeB. It is also possible to use a CoFeB perpendicular magnetization film. When the perpendicular magnetization type CoFeB is used, the threshold current of spin transfer torque magnetization reversal can be reduced, and the thermal stability of the second free layer is further improved.
  • the nonmagnetic layer 401 realizes the desired orientation and crystal structure of the free layer 303 formed thereon so as to prevent magnetic coupling between the free layer 303 and the free layer 501.
  • the material or film thickness to be selected is selected.
  • the fact that magnetic coupling does not occur means that the action of controlling the magnetization directions of the free layer 303 and the free layer 501 does not occur. This is because the magnetization directions of the free layer 303 and the free layer 501 should not affect each other not only in a static state but also in a dynamic state in which a current or voltage is applied during reading or writing.
  • the film thickness of the nonmagnetic layer 401 is preferably 5 nm or more, but may be 5 nm or less as long as no magnetic coupling occurs between the free layer 303 and the free layer 501.
  • a ferromagnetic film such as CoFe or CoFeB can be used as in the free layer 501.
  • a laminated ferrimagnetic free layer composed of CoFe / Ru / CoFe and having a large magnetization coupling force may be used.
  • CoFeB can be used instead of CoFe.
  • a magnesium oxide is used for the barrier layer 302
  • a laminated film having a laminated structure such as / Ru / CoFe / CoFeB. It is also possible to use a CoFeB perpendicular magnetization film. When the perpendicular magnetization type CoFeB is used, the threshold current of spin transfer torque magnetization reversal can be reduced, and the thermal stability of the free layer is further improved.
  • the barrier layer 302 the same material as that of the barrier layer 502 is used.
  • a ferromagnetic film such as CoFe or CoFeB can be used as in the fixed layer 503.
  • a laminated ferri type fixed layer having a large magnetization fixing force such as CoFe / Ru / CoFe may be used.
  • CoFeB can be used instead of CoFe.
  • a laminated film having a laminated structure such as CoFe / Ru / CoFeB or CoFe / Ru / CoFeB / CoFe as viewed from the antiferromagnetic layer 601 side may be used. Is possible. By providing these fixed layers, high output can be obtained.
  • Ir, Os, etc. which are excellent in heat
  • MnIr 8 nm was used for the antiferromagnetic layer 601, but the film thickness can be selected in the range of 4 to 15 nm. Further, even when an antiferromagnetic layer made of a Mn compound such as MnPt or MnFe is used, antiferromagnetic coupling can be stably realized. Furthermore, it is possible to apply an antiferromagnetic film excellent in high-temperature heat treatment resistance composed of an element not containing Mn.
  • high temperature means a temperature of 300 ° C. or higher.
  • Ta, Ru, MgO or the like can be used for the protective film 201, but other materials such as Cu, Cr, Ag, Au, Ti, V, Zn, Al, Pd, Pt, W, and Hf are also available. These laminated films and compounds are also used. Further, these oxides and nitrides may be used.
  • materials such as Ta, Ru, Cu, W, Ti, TiN, Al, Au, and Pt are used.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing another configuration example of the magnetoresistive element of the present invention.
  • the magnetoresistive element 10 of the present embodiment has a free layer and a fixed layer that constitute the first tunnel magnetoresistive element 300 and the second tunnel magnetoresistive element 500.
  • the arrangement of the antiferromagnetic layers are interchanged.
  • Antiferromagnetic layers 601 and 602, fixed layers 301 and 503, barrier layers 302 and 502, and free layers 303 and 501 are formed in this order from the nonmagnetic layer 401 side.
  • the material used for each layer is the same as that of the magnetoresistive element shown in FIG.
  • FIG. 4, FIG. 5 and FIG. 6 are schematic cross-sectional views showing still other structural examples of the magnetoresistive element of the present invention.
  • 3 and 4 is different from the magnetoresistive element shown in FIG. 1 in that either one of the first tunnel magnetoresistive element 300 and the second tunnel magnetoresistive element 500 is strong. It has a structure without a magnetic layer.
  • the magnetoresistive element 10 shown in FIGS. 5 and 6 is different from the magnetoresistive element shown in FIG. 2 in either one of the first tunnel magnetoresistive element 300 and the second tunnel magnetoresistive element 500. It has a structure without an antiferromagnetic layer.
  • FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing another configuration example of the magnetoresistive element of the present invention.
  • the magnetoresistive element 10 of this embodiment is different from the magnetoresistive element shown in FIG. 1 in that it does not have the antiferromagnetic layers 601 and 602.
  • Ta / Ru / Ta is used for the second electrode film 102
  • Ta is used for the orientation control film 202
  • the free layer 303 and the fixed layer 301 of the first tunnel magnetoresistive element 300 and the free element of the second magnetoresistive element 500 are used.
  • CoFeB perpendicular magnetization films are used for the layer 501 and the fixed layer 503, and MgO is used for the barrier layers 302 and 502.
  • Ta, Ru or MgO / Ta is used as the protective film 201, and materials such as Ta, Ru, Cu, W, Ti, TiN, and Al are used for the first electrode film 101.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing another configuration example of the magnetoresistive element of the present invention.
  • the magnetoresistive element 10 of this embodiment is different from the magnetoresistive element shown in FIG. 7 in that the arrangement of the free layer and the fixed layer in the first tunnel magnetoresistive element 300 and the second tunnel magnetoresistive element 500 is different. It has a switched structure. That is, although the magnetoresistive element 10 shown in FIG. 7 has a structure in which the free layer 303 and the free layer 501 are arranged close to each other with the nonmagnetic layer 401 interposed therebetween, the magnetoresistive element 10 shown in FIG. The fixed layer 301 and the fixed layer 503 are arranged close to each other with the nonmagnetic layer 401 interposed therebetween.
  • FIG. 9 shows each of the first tunnel magnetoresistive element 300, the nonmagnetic layer 401, and the second tunnel magnetoresistive element 500 in the magnetoresistive element 10 shown in FIGS. 1, 3, 4, and 7.
  • 3 shows a combination of magnetization arrangements when the magnetizations of the free layer and the fixed layer have an easy axis in the plane.
  • the magnetization direction of each layer is indicated by an arrow.
  • the following three types of states can be realized.
  • the magnetization 3031 of the free layer of the first tunnel magnetoresistive element 300 and the magnetization 3011 of the fixed layer are arranged in parallel, and the magnetization 5011 of the free layer of the second tunnel magnetoresistive element 500 and the magnetization 5031 of the fixed layer are opposite.
  • State of information A arranged in parallel
  • the state of information B in which the two magnetizations are arranged antiparallel in both the first tunnel magnetoresistive element 300 and the second tunnel magnetoresistive element 500
  • FIG. 10 shows the first tunnel magnetoresistive element 300 and the second tunnel magnetoresistive element.
  • FIG. 9 shows an example of the magnetization arrangement when the magnetization directions of the free layer and the fixed layer of the element 500 are perpendicular to the film surface, and the relative arrangement of the in-plane magnetization shown in FIG. Same as the case.
  • FIG. 11 shows that the magnetization of the free layer and the fixed layer of the first tunnel magnetoresistive element 300 has an easy axis in the in-plane direction, and the magnetization of the free layer and the fixed layer of the second tunnel magnetoresistive element 500 is a film.
  • the combination of the magnetization arrangement of each free layer and fixed layer when having an easy axis in the direction perpendicular to the plane is shown.
  • FIG. 12 shows that the magnetization of the free layer and the fixed layer of the first tunnel magnetoresistive element 300 has an easy axis in the direction perpendicular to the film surface, and the magnetization of the free layer and the fixed layer of the second tunnel magnetoresistive element 500.
  • 4 shows a combination of magnetization arrangements of the free layer and the fixed layer in the case where has an easy axis in the in-plane direction.
  • FIG. 13 shows the magnitude relationship of the output voltage values obtained for such a magnetization arrangement.
  • the tunnel magnetoresistive element has a low resistance when the magnetization of the free layer and the fixed layer therein are parallel to each other, and has a high resistance when the magnetization is antiparallel. Therefore, the resistance value R3 at the information C in which the magnetization arrangements of the first tunnel magnetoresistive element and the second tunnel magnetoresistive element are both parallel is the smallest, and therefore the output voltage is the lowest, which is opposite to each other.
  • the resistance value R2 of the information B, which is parallel, is the largest, and the output voltage is the highest.
  • the information A is a combination of parallel and antiparallel
  • the resistance value R1 between the information B and C and the output voltage is also an intermediate voltage.
  • recording / reproduction of three levels of output voltage values that is, ternary information is recorded / reproduced by a combination of magnetization arrangement patterns in each of the first tunnel magnetoresistive element 300 and the second tunnel magnetoresistive element 500. Is feasible.
  • FIG. 14 shows the definition of the current direction at the time of writing. As shown in the figure, the direction of the current is such that the direction from the second electrode film 102 to the first electrode film 101 is the positive direction.
  • FIG. 15 is an exploded view showing the electric resistance-current characteristics of each of the first tunnel magnetoresistive element and the second tunnel magnetoresistive element when the current direction is defined as shown in FIG.
  • the solid line shows the resistance-current characteristic of the first tunnel magnetoresistive element
  • the broken line shows the resistance-current characteristic of the second tunnel magnetoresistive element.
  • the stacking order of the free layer and the fixed layer is opposite to that of the first tunnel magnetoresistive element, so that the polarity of the resistance-current hysteresis is reversed. Therefore, in the case of the second tunnel magnetoresistive element, as indicated by the broken line, when the current Ic1 is applied in the positive direction, the magnetization of the free layer and the fixed layer changes from the parallel state to the antiparallel state. On the other hand, when a current having an absolute value of Ic2 or more is applied in the negative direction, the magnetization switches from antiparallel to parallel.
  • the fixed layer and free layer of the first tunnel magnetoresistive element and the fixed layer and free layer of the second tunnel magnetoresistive element are the switching current of the resistance-current hysteresis of the first tunnel magnetoresistive element.
  • (Or threshold current) -Ic4 and Ic3 and the second tunnel magnetoresistive element resistance-current hysteresis switching currents -Ic2 and Ic1 are set so as to satisfy the following relationship as shown in FIG. Yes. This can be designed by appropriately selecting the thickness, material, and dimensions of the free layer of the tunnel magnetoresistive elements 300 and 500.
  • the magnetization is antiparallel in the first tunnel magnetoresistive element, and the magnetization is parallel in the second tunnel magnetoresistive element. If the current is set larger than Ic1 and smaller than Ic3, the magnetization of the first tunnel magnetoresistive element and the magnetization of the free layer remain antiparallel, and the second tunnel magnetoresistive element Switch to parallel. If the current is returned to zero as it is, the magnetizations of the first tunnel magnetoresistive element and the second tunnel magnetoresistive element become antiparallel, and the magnetization arrangement of information B shown in FIGS. 9 to 12 is formed.
  • a current of Ic3 or more is passed in the positive direction to set the magnetization of the first tunnel magnetoresistive element in parallel and the magnetization of the second tunnel magnetoresistive element in an antiparallel state. Thereafter, when a current is applied to the current region between -Ic4 and -Ic2 and returned to zero, the magnetization of only the second tunnel magnetoresistive element is switched from antiparallel to parallel.
  • FIG. 17 to 20 show examples of magnetization arrangements when the fixed layer of the first tunnel magnetoresistive element 300 and the fixed layer of the second tunnel magnetoresistive element 500 are arranged close to each other via a nonmagnetic layer. Indicates. The arrow in the figure represents the direction of magnetization.
  • FIG. 17 shows a case where in-plane magnetization films are used for all of the fixed layer and the free layer of the first tunnel magnetoresistive element 300 and the fixed layer and the free layer of the second tunnel magnetoresistive element 500. Shows a case where perpendicular magnetization films are used for all of the fixed layer and the free layer of the first tunnel magnetoresistive element 300 and the fixed layer and the free layer of the second tunnel magnetoresistive element 500.
  • FIG. 17 shows a case where in-plane magnetization films are used for all of the fixed layer and the free layer of the first tunnel magnetoresistive element 300 and the fixed layer and the free layer of the second tunnel magnetoresistive element 500.
  • FIG. 19 shows the case where in-plane magnetization films are used for the fixed layer and the free layer of the first tunnel magnetoresistive element 300, and perpendicular magnetization films are used for the fixed layer and the free layer of the second tunnel magnetoresistive element 500. Is shown.
  • FIG. 20 shows a case where a perpendicular magnetization film is used for the fixed layer and the free layer of the first tunnel magnetoresistive element 300, and an in-plane magnetization film is used for the fixed layer and the free layer of the second tunnel magnetoresistive element 500. ing.
  • FIG. 22 shows the definition of the current direction when the fixed layer 301 of the first tunnel magnetoresistive element 300 and the fixed layer 503 of the second tunnel magnetoresistive element 500 are arranged on the nonmagnetic layer 401 side. In this case, unlike FIG. 14, it is defined that current flows from the first electrode film 101 to the second electrode film 102 as a positive direction.
  • the electric resistance-current characteristics of the first tunnel magnetoresistive element 300 and the second tunnel magnetoresistive element 500 are as shown in FIG.
  • the solid line indicates the resistance-current characteristic of the first tunneling magneto-resistance element 300
  • the broken line indicates the resistance-current characteristic of the second tunneling magneto-resistance element 500.
  • the magnetization arrangement corresponding to the information A to C is formed by the same current sequence as described with reference to FIG.
  • the difference in absolute value of the threshold current between the first tunnel magnetoresistive element 300 and the second tunnel magnetoresistive element 500 is
  • the tunnel magnetoresistive elements 300 and 500 can be designed according to the film thickness, material, and dimensions of the free layer.
  • FIGS. 1 to 8 are schematic cross-sectional views showing a configuration example of a magnetic memory cell according to the present invention.
  • This magnetic memory cell includes the magnetoresistive element 10 shown in FIGS. 1 to 8 as a memory cell.
  • FIG. 25 has a structure in which the magnetoresistive element 10 is formed on the electrode rising from the source electrode 812, and FIG. 26 is formed on the magnetoresistive element 10 that is obtained by drawing the electrode 700 from the stacked source electrode 802. Has a structure.
  • the C-MOS 1 is composed of two n-type semiconductors 801 and 802 and one p-type semiconductor 803.
  • An electrode 811 serving as a drain is electrically connected to the n-type semiconductor 801 and connected to the ground via electrodes 831 and 836.
  • An electrode 812 serving as a source is electrically connected to the n-type semiconductor 802. Electrodes 835, 834, 833, and 832 are stacked on the source electrode 812, and the second electrode film 102 of the magnetoresistive element 10 is connected to the electrode 700 thereon.
  • the first electrode film 101 of the magnetoresistive element 10 is connected to the bit line 701. ON / OFF of the current between the source electrode 812 and the drain electrode 811 is controlled by the gate electrode 813.
  • the current flowing through the magnetoresistive element 10 is controlled according to the sequence described with reference to FIG. 16 or FIG. 24, and the first tunnel magnetoresistive element 300 of the magnetoresistive element 10 is freely controlled by so-called spin transfer torque.
  • the magnetic direction is recorded by rotating the magnetization direction of the layer and the magnetization direction of the free layer of the second tunnel magnetoresistive element 500.
  • the spin transfer torque is a principle that a spin-polarized current spin that mainly flows in the tunnel magnetoresistive element, not a spatial external magnetic field, gives torque to the magnetic moment of the ferromagnetic free layer of the tunnel magnetoresistive element.
  • This spin-polarized current is generated by passing a current through the tunnel magnetoresistive element itself. Therefore, spin transfer torque magnetization reversal is realized by applying a current from the outside to the tunnel magnetoresistive element.
  • the magnetization direction of the free layer is controlled by the direction of the current, and the magnetization arrangement of the free layer and the fixed layer is determined.
  • the direction of the current flowing through the magnetoresistive element 10 can be set bidirectionally by using the C-MOS 1.
  • a spin transfer torque acts on the free layers 303 and 501 in the magnetoresistive element 10 when a current flows between the bit line 701 and the electrode 836.
  • the power at the time of writing can be reduced to about one-hundred compared with the case where a current magnetic field is used.
  • the tunnel magnetoresistive elements 300 and 500 having E / kT of 100 or more, a magnetic memory cell capable of forming a gigabit magnetic memory can be realized.
  • FIG. 27 is a diagram showing a configuration example of a magnetic random access memory in which the magnetic memory cells of the present invention are arranged.
  • a gate electrode 813 and a bit line 701 are electrically connected to the memory cell 900.
  • a bit line driver 901 is connected to the bit line, and a gate driver 902 is connected to the gate line. Selection of the arranged magnetic memory cell is performed by this driver.
  • the bit line driver 901 has a function of selecting a specific bit line and a desired value of a desired value selected from a plurality of current values to the magnetoresistive element of the magnetic memory cell via the selected bit line. It has a function of flowing current according to a predetermined sequence.
  • the specific current values are (1) a current greater than or equal to Ic3 in the positive direction, (2) a current greater than or equal to -Ic4 in the negative direction, and (3) greater than Ic1 and greater than Ic3. Small current, (4) Current between -Ic4 and -Ic2.
  • the magnetic memory cell to be read is selected by operating the bit line driver 901 and the gate driver 902 in the same manner as the write operation.
  • the high resistance and low resistance states of the tunnel magnetoresistive element are discriminated by the amount of current flowing through the transistor 1, and “0” (low resistance) and “1” (high resistance) are determined.
  • the amount of current is desirably set to be less than the smallest threshold current value in the absolute values

Landscapes

  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)

Abstract

　多値大容量低消費電力不揮発性メモリを提供する。　非磁性層４０１を挟んで第一のトンネル磁気抵抗素子３００と第二のトンネル磁気抵抗素子５００を配置したことにより、３値の記録情報を記録可能にする。非磁性層４０１を挟んで、第一のトンネル磁気抵抗素子３００の自由層３０３と第二のトンネル磁気抵抗素子５００の自由層５０１が向き合うように配置する。あるいは、非磁性層４０１を挟んで、第一のトンネル磁気抵抗素子３００の固定層３０１と第二のトンネル磁気抵抗素子５００の固定層５００３が向き合うように配置する。この磁気抵抗素子１０にスイッチング素子を備えた磁気メモリセルをアレイ状に配置して磁気ランダムアクセスメモリを形成することにより、１ビット３値の大容量磁気メモリを実現できる。

Description

磁気抵抗素子、磁気メモリセル及び磁気ランダムアクセスメモリ
　本発明は、電気的手段により磁気情報の書込みを行う磁気メモリセル及びそれを装備した大容量多値磁気メモリに関するものである。
　不揮発性磁気メモリや磁気記録装置では、その大容量化に向けて記録磁気情報を多値情報として記録し、読み出す技術が必要とされている。例えば、ＭＯＳＦＥＴ上にトンネル磁気抵抗素子を２つ以上積層した多値磁気メモリが特表２００７－５０４６５１号公報に開示されている。また、特開２００６－２３７１８３号公報には、磁性細線に磁壁で分離して配列された多数の磁気ビット情報を一つの磁気抵抗素子で読み出す大容量の磁気記録装置が開示されている。
特表２００７－５０４６５１号公報 特開２００６－２３７１８３号公報
　磁気メモリや磁気記録装置の抜本的な大容量化の実現には、１ビットの磁気情報を多値で読み出す技術を開発する必要がある。
　本発明は、このような要請に応えることのできる磁気メモリセル及び大容量不揮発性磁気メモリを提供することを目的とする。
　本発明の磁気抵抗素子は、非磁性層と、非磁性層を挟んで直列に接続された第一のトンネル磁気抵抗素子及び第二のトンネル磁気抵抗素子と、非磁性層を介して第一のトンネル磁気抵抗素子及び第二のトンネル磁気抵抗素子に電流を流すための一対の電極膜とを有する。第一のトンネル磁気抵抗素子は、第一の障壁層と、第一の障壁層を挟んで設けられた第一の自由層と第一の固定層とを有し、第二のトンネル磁気抵抗素子は、第二の障壁層と、第二の障壁層を挟んで設けられた第二の自由層と第二の固定層とを有する。
　このとき、非磁性層に対して第一の固定層は第一の自由層より遠くに配置されると共に第二の固定層は第二の自由層より遠くに配置される。あるいは、非磁性層に対して第一の自由層は第一の固定層より遠くに配置されると共に第二の自由層は第二の固定層より遠くに配置される。
　また、第１の方向に電流を流し、第一の自由層の磁化を第一の固定層の磁化に対して反平行状態から平行状態に反転するのに必要な閾値電流の絶対値を｜Ic3｜、第１の方向と逆の第２の方向に電流を流し、第一の自由層の磁化を第一の固定層の磁化に対して平行状態から反平行状態に反転するのに必要な閾値電流の絶対値を｜Ic4｜、第２の方向に電流を流し、第二の自由層の磁化を第二の固定層の磁化に対して反平行状態から平行状態に反転するのに必要な閾値電流の絶対値を｜Ic2｜、第１の方向に電流を流し、第二の自由層の磁化を第二の固定層の磁化に対して平行状態から反平行状態に反転するのに必要な閾値電流の絶対値を｜Ic1｜とするとき、次の関係を満たす。
　　　　　｜Ic3｜＞｜Ic1｜　かつ　｜Ic4｜＞｜Ic2｜
　第一の自由層と第二の自由層の磁化方向は、非磁性層を介して配置した一対のトンネル磁気抵抗素子に電流を流すことにより反転制御する、スピントランスファートルク磁化反転による情報書込み方式を用いる。このようなトンネル磁気抵抗素子により、３値の情報記録を実現できる。
　非磁性層は、第一のトンネル磁気抵抗素子の第一の自由層あるいは第一の固定層と、第二のトンネル磁気抵抗素子の第二の自由層あるいは第二の固定層との間に磁気的な結合を生じさせない膜厚を有することが必要である。
　第一及び第二のトンネル磁気抵抗素子の自由層及び／又は固定層は、ＣｏとＦｅの少なくとも一つとＢを含有する膜とすることができる。障壁層は、マグネシウムの酸化物とすることができる。
　本発明の磁気メモリセルは、本発明の磁気抵抗素子と、磁気抵抗素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子とを有し、スイッチング素子を介して磁気抵抗素子に流れる電流により情報の記録を行うものである。
　３値の情報のうち第１の情報を書き込むときは、第１の方向に｜Ic3｜以上の電流を流した後、電流をゼロにもどす。第２の情報を書き込むときは、第２の方向に｜Ic4｜以上の電流を流し、次に第１の方向に｜Ic1｜と｜Ic3｜の間の電流を流し、次に電流をゼロへ戻す。第３の情報を書き込むときは、第１の方向に｜Ic3｜以上の電流を流した後、第２の方向に｜Ic4｜と｜Ic2｜の間の電流を流し、次に電流ゼロへ戻す。
　本発明の磁気ランダムアクセスメモリは、アレイ状に配置した本発明の上記磁気メモリセルと、複数の磁気メモリセルから一つを選択して情報の書込みあるいは読取りを行ための選択制御手段とを備える。選択制御手段は、選択した磁気メモリセルの磁気抵抗素子に、第１の方向に流れる｜Ic3｜以上の電流、第２の方向に流れる｜Ic4｜以上の電流、第１の方向に流れる｜Ic1｜と｜Ic3｜の間の電流、第２の方向に流れる｜Ic4｜と｜Ic2｜の間の電流を定められたシーケンスに従って選択的に流すことで、上記第１の情報、第２の情報、第３の情報の書込みを行う。
　本発明によると、従来の２倍以上の容量をもつ磁気メモリを提供でき、大容量化が可能になる。
本発明の磁気抵抗素子の構成例を示す断面模式図である。 本発明の磁気抵抗素子の構成例を示す断面模式図である。 本発明の磁気抵抗素子の構成例を示す断面模式図である。 本発明の磁気抵抗素子の構成例を示す断面模式図である。 本発明の磁気抵抗素子の構成例を示す断面模式図である。 本発明の磁気抵抗素子の構成例を示す断面模式図である。 本発明の磁気抵抗素子の構成例を示す断面模式図である。 本発明の磁気抵抗素子の構成例を示す断面模式図である。 本発明の磁気抵抗素子における磁化配置の例を示した図である。 本発明の磁気抵抗素子における磁化配置の例を示した図である。 本発明の磁気抵抗素子における磁化配置の例を示した図である。 本発明の磁気抵抗素子における磁化配置の例を示した図である。 本発明の磁気抵抗素子における磁化配置を反映した出力信号の大小関係を示した図である。 電流方向の定義を示す図である。 本発明の磁気抵抗素子における第一のトンネル磁気抵抗素子と第二のトンネル磁気抵抗素子の電気抵抗－電流特性の例を示した図である。 本発明の磁気抵抗素子における３値の磁化配置を形成するための電流印加例を示した図である。 本発明の磁気抵抗素子における磁化配置の例を示した図である。 本発明の磁気抵抗素子における磁化配置の例を示した図である。 本発明の磁気抵抗素子における磁化配置の例を示した図である。 本発明の磁気抵抗素子における磁化配置の例を示した図である。 本発明の磁気抵抗素子における磁化配置を反映した出力信号の大小関係を示した図である。 電流方向の例を示す図である。 本発明の磁気抵抗素子における第一のトンネル磁気抵抗素子と第二のトンネル磁気抵抗素子の電気抵抗－電流特性の例を示した図である。 本発明の磁気抵抗素子における３値の磁化配置を形成するための電流印加例を示した図である。 本発明の磁気メモリセルの構成例を示した図である。 本発明の磁気メモリセルの構成例を示した図である。 本発明の磁気ランダムアクセスメモリの構成例を示した図である。
　以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
　図１は、本発明による磁気抵抗素子の構成例を示す断面模式図である。この磁気抵抗素子１０は、第一の電極膜１０１、保護膜２０１、第一のトンネル磁気抵抗素子３００、非磁性層４０１、第二のトンネル磁気抵抗素子５００、配向制御膜２０２、第二の電極膜１０２により形成される。ここで、第一のトンネル磁気抵抗素子３００は、反強磁性層６０１、固定層３０１、障壁層３０２、自由層３０３により構成され、第二のトンネル磁気抵抗素子５００は、自由層５０１、障壁層５０２、固定層５０３、反強磁性層６０２により構成される。本発明の磁気抵抗素子１０の各層を構成する膜は、スパッタリング法を用いて製膜した。ただし、磁気抵抗素子１０の全層あるいは一部の層を、分子線エピタキシー法、レーザアブレーション法、イオンビームを使ったスパッタ法によって形成しても構わない。
　第二の電極膜１０２には、Ｔａ，Ｒｕ，Ｃｕ，ＣｕＮ膜やそれらの多層膜を用いることができる。配向制御層２０２はＮｉＦｅやＮｉＦｅＣｒ、あるいはＲｕなどを用いることができるが、その上に形成される反強磁性層６０２の配向性を向上させ、安定した反強磁性結合を実現できるならば他の材料を用いてもよい。ＴａやＰｔなどの高融点のアモルファス膜を使用することも望ましい。反強磁性層６０２にはＭｎＩｒ（８ｎｍ）を用いたが，膜厚は４～１５ｎｍの範囲で選択可能である。また、ＭｎＰｔ，ＭｎＦｅなどのＭｎ化合物で構成される反強磁性層を用いても安定に反強磁性結合を実現できる。さらに、Ｍｎを含まない元素で構成される高温の熱処理耐性の優れた反強磁性膜を適用することも可能である。ここで高温とは、３００℃以上の温度を示す。
　固定層５０３には、ＣｏＦｅやＣｏＦｅＢなどの強磁性膜を使用することができる。また、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅで構成される磁化の固定力の大きい積層フェリ型の固定層を使用してもよい。この場合、ＣｏＦｅの代わりにＣｏＦｅＢを使うことも可能である。特に障壁層５０２にマグネシウムの酸化物を用いる場合には、反強磁性層６０２側から見てＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢやＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢ／ＣｏＦｅなどの積層構造を有する積層膜を使用することも可能である。これらの材料からなる固定層を備えることにより、高い出力を得ることが可能となる。また、積層フェリ型の固定層を使用する場合には、Ｒｕに比べて熱拡散耐性に優れたＩｒ，Ｏｓなど使用することができる。
　障壁層５０２には、酸化物や窒化物、又は半導体などの金属ではない材料が使用される。その中でも、マグネシウムを含む酸化物であるＭｇＯ，ＭｇＺｎＯなどを用いることが望ましい。ＭｇＯターゲットをスパッタ法で製膜したり、Ｍｇを酸化プラズマ雰囲気中で酸化したり、プラズマを用いずに自然に酸化するプロセスを使用して作製することも可能である。ＭｇＯの場合、岩塩構造を持ち、（００１）配向を主配向とする障壁層であることが望ましいが、アモルファス構造であっても構わない。また、ＭｇＺｎＯを適用することによりトンネル磁気抵抗素子の抵抗を減少することが可能であり、素子に大きな電流を印加可能となる。ＭｇＺｎＯを用いる場合も、岩塩構造の（００１）配向が主配向となっていることが望ましい。さらに、ＧｅやＺｎＳｅなどの半導体で障壁層を形成することも可能である。また、ＭｇＯやＭｇＺｎＯ，ＺｎＯ，Ｇｅ，ＺｎＳｅなどの異種の障壁層材料を２層以上の多層に積層して形成する障壁層を用いてもよい。
　自由層５０１には、ＣｏＦｅやＣｏＦｅＢなどの強磁性膜を使用することができる。また、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅで構成される磁化の結合力の大きい積層フェリ型の自由層を使用してもよい。この場合、ＣｏＦｅの代わりにＣｏＦｅＢを使うことも可能である。障壁層５０２にマグネシウムの酸化物を使用する場合には、障壁層５０２側から見てＣｏＦｅＢ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢやＣｏＦｅＢ／ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢ／ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢ／ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢなどの積層構造を有する積層膜を使用することも可能である。また、ＣｏＦｅＢの垂直磁化膜を使用することも可能である。垂直磁化タイプのＣｏＦｅＢを用いた場合は、スピントランスファートルク磁化反転の閾値電流を小さくすることが可能で、さらに第二の自由層の熱安定性が向上される。
　次に、非磁性層４０１の材料について説明する。非磁性層４０１には、自由層３０３と自由層５０１の間に磁気的な結合が生じないようにするための、さらにその上に形成される自由層３０３の所望の配向性、結晶構造を実現するための材料又は膜厚が選択される。ここで磁気的結合が生じないとは、自由層３０３と自由層５０１の磁化方向をお互いに制御する作用が生じないことを意味する。これは、静的な状況はもちろん、読出し時や書込み時に電流や電圧を印加している動的な状況でも、自由層３０３と自由層５０１の磁化方向がお互いに影響し合ってはならない。ここでは、Ｃｕ，Ｃｒ，Ｔａ，Ｒｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｔｉ，Ｖ，Ｚｎ，Ａｌ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｗ，Ｍｇ，Ｈｆなどの材料又はそれらの積層膜や化合物が使用される。さらに、これらの酸化物や窒化物を用いても構わない。非磁性層４０１の膜厚は５ｎｍ以上あることが望ましいが、自由層３０３と自由層５０１の間に磁気的な結合が生じなければ５ｎｍ以下であってもよい。
　自由層３０３には、自由層５０１と同様に、ＣｏＦｅやＣｏＦｅＢなどの強磁性膜を使用することができる。また、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅで構成される磁化の結合力の大きい積層フェリ型の自由層を使用してもよい。この場合、ＣｏＦｅの代わりにＣｏＦｅＢを使うことも可能である。障壁層３０２にマグネシウムの酸化物を用いる場合には、障壁層３０２側から見てＣｏＦｅＢ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢやＣｏＦｅＢ／ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢ／ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢ／ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢなどの積層構造を有する積層膜を使用することも可能である。また、ＣｏＦｅＢの垂直磁化膜を使用することも可能である。垂直磁化タイプのＣｏＦｅＢを用いた場合は、スピントランスファートルク磁化反転の閾値電流を小さくすることが可能で、さらに自由層の熱安定性が向上される。障壁層３０２についても、障壁層５０２と同様の材料が使用される。
　固定層３０１については、固定層５０３と同様に、ＣｏＦｅやＣｏＦｅＢなどの強磁性膜を使用することができる。また、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅなどの磁化の固定力の大きい積層フェリ型の固定層を使用してもよい。この場合、ＣｏＦｅの代わりにＣｏＦｅＢを使うことも可能である。特に障壁層３０２にマグネシウムの酸化物を用いる場合には、反強磁性層６０１側から見てＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢやＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢ／ＣｏＦｅなどの積層構造を有する積層膜を使用することも可能である。これらの固定層を備えることにより、高い出力を得ることが可能となる。また、積層フェリ型の固定層を使用する場合には、Ｒｕに比べて熱拡散耐性に優れたＩｒ，Ｏｓなどを使用することができる。
　反強磁性層６０１には、ＭｎＩｒ（８ｎｍ）を用いたが、膜厚は４～１５ｎｍの範囲で選択可能である。また、ＭｎＰｔ，ＭｎＦｅなどのＭｎ化合物で構成される反強磁性層を用いても安定に反強磁性結合を実現できる。さらに、Ｍｎを含まない元素で構成される高温の熱処理耐性の優れた反強磁性膜を適用することも可能である。ここで高温というのは、３００℃以上の温度を示す。
　保護膜２０１には、Ｔａ，Ｒｕ，ＭｇＯなどを使用することが可能であるが、そのほかにＣｕ，Ｃｒ，Ａｇ，Ａｕ，Ｔｉ，Ｖ，Ｚｎ，Ａｌ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｗ，Ｈｆなどの材料、またそれらの積層膜や化合物が使用される。さらに、これらの酸化物や窒化物を用いても構わない。第一の電極膜１０１には、Ｔａ，Ｒｕ，Ｃｕ，Ｗ，Ｔｉ，ＴｉＮ，Ａｌ，Ａｕ，Ｐｔなどの材料が使用される。
　図２は、本発明の磁気抵抗素子の他の構成例を示す断面模式図である。本実施例の磁気抵抗素子１０は、図１に示した磁気抵抗素子と比較して、第一のトンネル磁気抵抗素子３００と第二のトンネル磁気抵抗素子５００を構成する各々の自由層と固定層と反強磁性層の配置が入れ替わった構成をもつ。それぞれ非磁性層４０１側から反強磁性層６０１，６０２、固定層３０１，５０３、障壁層３０２，５０２、自由層３０３，５０１の順に形成されている。各層に用いる材料は、図１に示した磁気抵抗素子の場合と同様である。
　図３、図４、図５、図６は、本発明の磁気抵抗素子の更に他の構成例を示す断面模式図である。図３及び図４に示した磁気抵抗素子１０は、図１に示した磁気抵抗素子に対して、第一のトンネル磁気抵抗素子３００と第二のトンネル磁気抵抗素子５００のどちらか一方の反強磁性層がない構造を有する。また、図５及び図６に示した磁気抵抗素子１０は、図２に示した磁気抵抗素子に対して、第一のトンネル磁気抵抗素子３００と第二のトンネル磁気抵抗素子５００のどちらか一方の反強磁性層がない構造を有する。
　図７は、本発明の磁気抵抗素子の他の構成例を示す断面模式図である。本実施例の磁気抵抗素子１０は、図１に示した磁気抵抗素子と比較して、反強磁性層６０１，６０２を持たない点が異なる。この構成の場合、第一のトンネル磁気抵抗素子３００又は第二のトンネル磁気抵抗素子５００の少なくとも一方の自由層と固定層には、垂直磁化膜を使用することが望ましい。例えば、第二の電極膜１０２にＴａ／Ｒｕ／Ｔａ、配向制御膜２０２にＴａを用い、第一のトンネル磁気抵抗素子３００の自由層３０３と固定層３０１、第二の磁気抵抗素子５００の自由層５０１と固定層５０３にＣｏＦｅＢ垂直磁化膜を用い、障壁層３０２，５０２にはＭｇＯを用いる。保護膜２０１としてはＴａ，ＲｕやＭｇＯ／Ｔａを使用し、第一の電極膜１０１には、Ｔａ，Ｒｕ，Ｃｕ，Ｗ，Ｔｉ，ＴｉＮ，Ａｌなどの材料を使用する。
　図８は、本発明の磁気抵抗素子の他の構成例を示す断面模式図である。本実施例の磁気抵抗素子１０は、図７に示した磁気抵抗素子に対して、第一のトンネル磁気抵抗素子３００と第二のトンネル磁気抵抗素子５００の中で自由層と固定層の配置が入れ替わった構造を有する。すなわち、図７に示した磁気抵抗素子１０は非磁性層４０１を挟んで自由層３０３と自由層５０１とが近接して配置された構造を有するが、図８に示した磁気抵抗素子１０は、非磁性層４０１を挟んで固定層３０１と固定層５０３とが接近して配置された構造を有する。
　次に、本発明による多値磁気メモリの動作と原理について説明する。図９は、図１、図３、図４及び図７に示した磁気抵抗素子１０において、第一のトンネル磁気抵抗素子３００、非磁性層４０１、第二のトンネル磁気抵抗素子５００の部分の各々の自由層と固定層の磁化が面内に容易軸を持つ場合の磁化配列の組合せを示したものである。図には、各層の磁化方向を矢印で示す。図９に示すように、次の３種類の状態が実現可能となる。
(1)第一のトンネル磁気抵抗素子３００の自由層の磁化３０３１と固定層の磁化３０１１が平行配列、且つ第二のトンネル磁気抵抗素子５００の自由層の磁化５０１１と固定層の磁化５０３１が反平行配列した情報Ａの状態
(2)第一のトンネル磁気抵抗素子３００、第二のトンネル磁気抵抗素子５００ともに、２つの磁化が反平行配列した情報Ｂの状態
(3)第一の磁気抵抗素子３００と第二の磁気抵抗素子４００ともに、２つの磁化が平行配列した情報Ｃの状態
　図１０は、第一のトンネル磁気抵抗素子３００及び第二のトンネル磁気抵抗素子５００のそれぞれの自由層、固定層の磁化方向が膜面に対して垂直に向いているときの磁化の配列例を示したものであり、その相対配置は図９に示した面内磁化の場合と同様である。
　また、図１１は、第一のトンネル磁気抵抗素子３００の自由層と固定層の磁化が面内方向に容易軸を持ち、第二のトンネル磁気抵抗素子５００の自由層と固定層の磁化が膜面垂直方向に容易軸を持つ場合の各々の自由層、固定層の磁化配列の組合せを示したものである。同様に、図１２は、第一のトンネル磁気抵抗素子３００の自由層と固定層の磁化が膜面垂直方向に容易軸を持ち、第二のトンネル磁気抵抗素子５００の自由層と固定層の磁化が面内方向に容易軸を持つ場合の各々の自由層、固定層の磁化配列の組合せを示したものである。
　このような磁化配列に対して得られる出力電圧値の大小関係を図１３に示す。トンネル磁気抵抗素子は、その中の自由層と固定層の磁化が互いに平行のとき低抵抗になり、反平行のときに高抵抗となる。したがって、第一のトンネル磁気抵抗素子と第二のトンネル磁気抵抗素子のそれぞれの磁化配置が両方ともに平行である情報Ｃでの抵抗値Ｒ３が最も小さく、従って出力電圧が最も低くなり、お互いに反平行のときである情報Ｂの抵抗値Ｒ２が最も大きく、出力電圧が最も高くなる。また、情報Ａは平行と反平行の組合せであり、情報ＢとＣの間の抵抗値Ｒ１となり、出力電圧も中間の電圧となる。このように、第一のトンネル磁気抵抗素子３００と第二のトンネル磁気抵抗素子５００の各々での磁化配列パターンの組合せにより、出力電圧値の異なる３つのレベル、すなわち３値の情報の記録・再生が実現可能となる。
　次に、情報Ａ，Ｂ，Ｃの状態の書込み手順について説明する。図１４に、書込み時の電流方向の定義を示す。図示のように、電流の向きは、第二の電極膜１０２から第一の電極膜１０１の方向を正方向とする。
　図１５は、図１４のように電流方向を定義した時の第一のトンネル磁気抵抗素子と第二のトンネル磁気抵抗素子の各素子の電気抵抗－電流特性を分解して示した図である。実線は第一のトンネル磁気抵抗素子の抵抗－電流特性を示し、破線は第二のトンネル磁気抵抗素子の抵抗－電流特性を示す。第一のトンネル磁気抵抗素子では、実線で示すように、正方向にIc3の電流を印加すると自由層と固定層の磁化が反平行状態から平行状態へ遷移する。一方、負方向に-Ic4以上の電流を印加すると磁化は平行から反平行へスイッチする。第二のトンネル磁気抵抗素子では、第一のトンネル磁気抵抗素子に対して自由層と固定層の積層順が反対になることから、抵抗－電流のヒステリシスの極性が逆になる。したがって第二のトンネル磁気抵抗素子の場合、破線で示すように、正方向にIc1の電流を印加すると自由層と固定層の磁化が平行状態から反平行状態へ遷移する。一方、負方向に絶対値がIc2以上の電流を印加すると磁化は反平行から平行へスイッチする。
　逆に言うと、第一のトンネル磁気抵抗素子の固定層と自由層、及び第二のトンネル磁気抵抗素子の固定層と自由層は、第一のトンネル磁気抵抗素子の抵抗－電流ヒステリシスのスイッチング電流（又は、閾値電流）-Ic4及びIc3と、第二のトンネル磁気抵抗素子の抵抗－電流ヒステリシスのスイッチング電流-Ic2及びIc1が、図１５に示すように、次の関係を満たすように設定されている。これは、トンネル磁気抵抗素子３００，５００の自由層の膜厚や材料、寸法を適切に選択することによって設計可能である。
　　　　　-Ic4＜-Ic2＜Ic1＜Ic3
　上記スイッチング電流を絶対値で比較すると、次の関係を満たす必要がある。
　　　　　｜Ic3｜＞｜Ic1｜　かつ　｜Ic4｜＞｜Ic2｜
　第一のトンネル磁気抵抗素子と第二のトンネル磁気抵抗素子の動作とスイッチング電流が図１５に示したようにIc1からIc4で定義されるとき、情報Ａ～Ｃを記録するための電流印加のシーケンスを図１６に示す。
　情報Ａを書込む場合、Ic3以上の電流を正方向（第二の電極膜から第一の電極膜の方向）に流し、電流をゼロにもどす。この場合、図１５から分かるように、第一のトンネル磁気抵抗素子３００では固定層の磁化と自由層の磁化が平行状態、第二のトンネル磁気抵抗素子では反平行状態となり、図９から図１２に示した情報Ａに相当する磁化配列が形成される。情報Ｂの書込み操作に当たっては、一旦、負方向に-Ic4以上の電流を印加する。
　そのとき、第一のトンネル磁気抵抗素子では磁化が反平行状態、第二のトンネル磁気抵抗素子は磁化が平行状態となる。そのまま、電流をIc1より大きく、Ic3より小さく設定すると第一のトンネル磁気抵抗素子は固定層の磁化と自由層の磁化が反平行を維持した状態、第二のトンネル磁気抵抗素子は、平行から反平行へスイッチする。そのまま、電流をゼロへ戻すと第一のトンネル磁気抵抗素子、第二のトンネル磁気抵抗素子ともに磁化が反平行状態となり図９から図１２に示した情報Ｂの磁化配列が形成される。最後に情報Ｃの書込み方法としては、正方向にIc3以上の電流を流し第一のトンネル磁気抵抗素子の磁化を平行、第二のトンネル磁気抵抗素子の磁化を反平行状態へセットする。その後、-Ic4と-Ic2との間の電流域まで電流を印加してゼロへ戻すと、第二のトンネル磁気抵抗素子のみ磁化が反平行から平行へスイッチする。このように情報Ａ～Ｃ毎に設定される電流シーケンスを操作することにより、３値の状態を自由に作り出すことが可能となる。
　図１７から図２０は、第一のトンネル磁気抵抗素子３００の固定層と第二のトンネル磁気抵抗素子５００の固定層とが非磁性層を介して近接して配置された場合の磁化配列の例を示す。図中の矢印は磁化の向きを表す。図１７は、第一のトンネル磁気抵抗素子３００の固定層と自由層、及び第二のトンネル磁気抵抗素子５００の固定層と自由層の全てに面内磁化膜を用いた場合を示し、図１８は、第一のトンネル磁気抵抗素子３００の固定層と自由層、及び第二のトンネル磁気抵抗素子５００の固定層と自由層の全てに垂直磁化膜を用いた場合を示している。また、図１９は、第一のトンネル磁気抵抗素子３００の固定層と自由層に面内磁化膜を用い、第二のトンネル磁気抵抗素子５００の固定層と自由層に垂直磁化膜を用いた場合を示している。図２０は、第一のトンネル磁気抵抗素子３００の固定層と自由層に垂直磁化膜を用い、第二のトンネル磁気抵抗素子５００の固定層と自由層に面内磁化膜を用いた場合を示している。
　この場合にも、第一のトンネル磁気抵抗素子３００と第二のトンネル磁気抵抗素子５００の固定層の磁化と自由層の磁化に関し、図９から図１２に示した例と同様な平行と反平行の組み合わせの配列が可能となる。そして、それに対応する情報Ａ～Ｃの出力電圧値も、図２１に示すように図１３と同様の関係となる。
　図２２は、非磁性層４０１側に第一のトンネル磁気抵抗素子３００の固定層３０１と第二のトンネル磁気抵抗素子５００の固定層５０３が配置された場合の電流方向の定義を示す。この場合には、図１４と異なり、第一の電極膜１０１から第二の電極膜１０２方向を正方向として電流を流すように定義する。
　このとき、第一のトンネル磁気抵抗素子３００と第二のトンネル磁気抵抗素子５００の電気抵抗－電流特性は、図２３に示すようになる。図２３において、実線は第一のトンネル磁気抵抗素子３００の抵抗－電流特性を示し、破線は第二のトンネル磁気抵抗素子５００の抵抗－電流特性を示す。この場合も、図２４に示すように、図１６を用いて説明したのと同じ電流シーケンスによって、情報Ａ～Ｃに対応する磁化配列が形成される。ここで、図２３に示した電気抵抗－電流特性において、第一のトンネル磁気抵抗素子３００と第二のトンネル磁気抵抗素子５００の間の閾値電流の絶対値の相違（例えば、Ic1とIc3）はトンネル磁気抵抗素子３００，５００の自由層の膜厚や材料、寸法によって設計することが可能である。
　図２５と図２６は、本発明による磁気メモリセルの構成例を示す断面模式図である。この磁気メモリセルは、メモリセルとして図１から図８に示した磁気抵抗素子１０を搭載している。図２５は、磁気抵抗素子１０がソース電極８１２から立ち上がった電極上に形成された構造を有し、図２６は磁気抵抗素子１０がソース電極８０２の積層上から電極７００を引き出した上に形成された構造を有する。
　Ｃ－ＭＯＳ１は、２つのｎ型半導体８０１，８０２と一つのｐ型半導体８０３からなる。ｎ型半導体８０１にドレインとなる電極８１１が電気的に接続され、電極８３１，８３６を介してグラウンドに接続されている。ｎ型半導体８０２には、ソースとなる電極８１２が電気的に接続されている。ソース電極８１２には、電極８３５，８３４，８３３，８３２が積層され、その上の電極７００に磁気抵抗素子１０の第二の電極膜１０２が接続されている。磁気抵抗素子１０の第一の電極膜１０１は、ビット線７０１に接続されている。ソース電極８１２とドレイン電極８１１の間の電流のＯＮ／ＯＦＦは、ゲート電極８１３によりを制御される。
　本実施例の磁気メモリセルでは、磁気抵抗素子１０に流れる電流を図１６あるいは図２４で説明したシーケンスに従って制御し、いわゆるスピントランスファートルクにより磁気抵抗素子１０の第一のトンネル磁気抵抗素子３００の自由層の磁化方向と第二のトンネル磁気抵抗素子５００の自由層の磁化方向を回転し、磁気的情報を記録する。スピントランスファートルクは、空間的な外部磁界ではなく主としてトンネル磁気抵抗素子中を流れるスピン偏極した電流のスピンがトンネル磁気抵抗素子の強磁性自由層の磁気モーメントにトルクを与える原理である。このスピン偏極した電流は、トンネル磁気抵抗素子に電流を流すこと自体で発生する。したがって、トンネル磁気抵抗素子に外部から電流を流すことにより、スピントランスファートルク磁化反転は実現される。その電流の方向により自由層の磁化方向を制御し、自由層と固定層の磁化配列を決定する。
　本実施例では、Ｃ－ＭＯＳ１を使用することにより、磁気抵抗素子１０に流れる電流の向きを双方向に設定できる。本実施例では、ビット線７０１と電極８３６の間に電流が流れることにより磁気抵抗素子１０中の自由層３０３，５０１にスピントランスファートルクが作用する。スピントランスファートルクにより書込みを行った場合、書込み時の電力は電流磁界を用いた場合に比べ百分の一程度まで低減可能である。また、１００以上のＥ／ｋＴを有するトンネル磁気抵抗素子３００，５００を装備することにより、ギガビットの磁気メモリを構成可能な磁気メモリセルを実現できる。
　図２７は、本発明の磁気メモリセルを配置した磁気ランダムアクセスメモリの構成例を示す図である。ゲート電極８１３とビット線７０１がメモリセル９００に電気的に接続されている。ビット線にはビット線ドライバー９０１が接続され、ゲート線にはゲートドライバー９０２が接続されており、配置された磁気メモリセルの選択はこのドライバーにより実施される。特に、書込み動作の時には、個々のメモリセル９００に、図１６と図２４に示したようなシーケンスによりビット線７０１から電流が供給される。そのために、ビット線ドライバー９０１は、特定のビット線を選択する機能と、選択したビット線を介して磁気メモリセルの磁気抵抗素子に複数の電流値から選択された所望の値の所望の方向の電流を所定のシーケンスに従って流す機能を有する。
　具体的な電流値は、図１６及び図２４で説明したように、(1)正方向にIc3以上の電流、 (2)負方向に-Ic4以上の電流、(3)Ic1より大きく、Ic3より小さな電流、(4)-Ic4と-Ic2の間の電流である。また、読出し動作についても、書込み動作と同様に読み出しを行う磁気メモリセルの選択はビット線ドライバー９０１とゲートドライバー９０２を操作して行う。読出しは、トンネル磁気抵抗素子の高抵抗、低抵抗状態をトランジスタ１に流れる電流量により判別して、“０”（低抵抗）、“１”（高抵抗）を決定する。その電流量は、閾値電流の絶対値｜Ic1｜から｜Ic4｜において最も小さい閾値電流値未満に設定することが望ましい。本発明の磁気メモリセルを配置することにより、磁気メモリは低消費電力で動作が可能であり、ギガビット級の高密度磁気メモリを実現可能である。
１　Ｃ－ＭＯＳ
１０　磁気抵抗素子
１０１　第一の電極膜
１０２　第二の電極膜
２０１　保護膜
２０２　配向制御膜
３００　第一のトンネル磁気抵抗素子
３０１　固定層
３０２　障壁層
３０３　自由層
４０１　非磁性層
５００　第二のトンネル磁気抵抗素子
５０１　自由層
５０２　障壁層
５０３　固定層
６０１，６０２　反強磁性膜
７０１　ビット線
８０１　ｎ型半導体
８０３　ｐ型半導体
８１２　ソース電極
８１１　ドレイン電極
８１３　ゲート電極
８３１～８３６　電極配線
９０１　ビット線ドライバー
９０２　ゲートドライバー

Claims (14)

  1. 　非磁性層と、
    　前記非磁性層を挟んで直列に接続された第一のトンネル磁気抵抗素子及び第二のトンネル磁気抵抗素子と、
    　前記非磁性層を介して前記第一のトンネル磁気抵抗素子及び前記第二のトンネル磁気抵抗素子に電流を流すための一対の電極膜とを有し、
    　前記第一のトンネル磁気抵抗素子は、第一の障壁層と、前記第一の障壁層を挟んで設けられた第一の自由層と第一の固定層とを有し、
    　前記第二のトンネル磁気抵抗素子は、第二の障壁層と、前記第二の障壁層を挟んで設けられた第二の自由層と第二の固定層とを有し、
    　前記非磁性層に対して前記第一の固定層は前記第一の自由層より遠くに配置されると共に前記第二の固定層は前記第二の自由層より遠くに配置され、あるいは、前記非磁性層に対して前記第一の自由層は前記第一の固定層より遠くに配置されると共に前記第二の自由層は前記第二の固定層より遠くに配置され、
    　前記第一の自由層と前記第二の自由層の磁化方向が、前記一対の電極膜の間に流れる電流により反転し、
    　第１の方向に電流を流し、前記第一の自由層の磁化を前記第一の固定層の磁化に対して反平行状態から平行状態に反転するのに必要な閾値電流の絶対値を｜Ic3｜、前記第１の方向と逆の第２の方向に電流を流し、前記第一の自由層の磁化を前記第一の固定層の磁化に対して平行状態から反平行状態に反転するのに必要な閾値電流の絶対値を｜Ic4｜、前記第２の方向に電流を流し、前記第二の自由層の磁化を前記第二の固定層の磁化に対して反平行状態から平行状態に反転するのに必要な閾値電流の絶対値を｜Ic2｜、前記第１の方向に電流を流し、前記第二の自由層の磁化を前記第二の固定層の磁化に対して平行状態から反平行状態に反転するのに必要な閾値電流の絶対値を｜Ic1｜とするとき、次の関係を満たすことを特徴とする磁気抵抗素子。
    　　　　　｜Ic3｜＞｜Ic1｜　かつ　｜Ic4｜＞｜Ic2｜
  2. 　請求項１記載の磁気抵抗素子において、前記非磁性層は、前記第一のトンネル磁気抵抗素子の第一の自由層あるいは第一の固定層と、前記第二のトンネル磁気抵抗素子の第二の自由層あるいは第二の固定層との間に磁気的な結合を生じさせない膜厚を有することを特徴とする磁気抵抗素子。
  3. 　請求項１記載の磁気抵抗素子において、前記第一の自由層、前記第一の固定層、前記第二の自由層及び前記第二の固定層は、ＣｏとＦｅの少なくとも一つとＢを含有する膜であることを特徴とする磁気抵抗素子。
  4. 　請求項１記載の磁気抵抗素子において、前記第一の障壁層及び前記第二の障壁層は、マグネシウムの酸化物により形成されることを特徴とする磁気抵抗素子。
  5. 　請求項１記載の磁気抵抗素子において、前記第一の自由層と前記第一の固定層、前記第二の自由層と前記第二の固定層の少なくとも一組は、磁化方向が膜面垂直方向に向いている一対の垂直磁化膜からなることを特徴とする磁気抵抗素子。
  6. 　請求項１記載の磁気抵抗素子において、前記第一の固定層と前記第二の固定層の少なくとも一方に反強磁性層が隣接していることを特徴とする磁気抵抗素子。
  7. 　請求項１記載の磁気抵抗素子において、前記第一の自由層、前記第二の自由層、前記第一の固定層、前記第二の固定層の少なくとも一つは、間に非磁性層を挟んで互いの磁化方向が反平行に配置された一対の強磁性層からなることを特徴とする磁気抵抗素子。
  8. 　磁気抵抗素子と、
    　前記磁気抵抗素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子とを有し、
    　前記スイッチング素子を介して前記磁気抵抗素子に流れる電流により情報の記録を行う磁気メモリセルにおいて、
    　前記磁気抵抗素子は、非磁性層と、前記非磁性層を挟んで直列に接続された第一のトンネル磁気抵抗素子及び第二のトンネル磁気抵抗素子と、前記非磁性層を介して前記第一のトンネル磁気抵抗素子及び前記第二のトンネル磁気抵抗素子に電流を流すための一対の電極膜とを有し、
    　前記第一のトンネル磁気抵抗素子は、第一の障壁層と、前記第一の障壁層を挟んで設けられた第一の自由層と第一の固定層とを有し、
    　前記第二のトンネル磁気抵抗素子は、第二の障壁層と、前記第二の障壁層を挟んで設けられた第二の自由層と第二の固定層とを有し、
    　前記非磁性層に対して前記第一の固定層は前記第一の自由層より遠くに配置されると共に前記第二の固定層は前記第二の自由層より遠くに配置され、あるいは、前記非磁性層に対して前記第一の自由層は前記第一の固定層より遠くに配置されると共に前記第二の自由層は前記第二の固定層より遠くに配置され、
    　前記第一の自由層と前記第二の自由層の磁化方向が、前記一対の電極膜の間に流れる電流により反転し、
    　第１の方向に電流を流し、前記第一の自由層の磁化を前記第一の固定層の磁化に対して反平行状態から平行状態に反転するのに必要な閾値電流の絶対値を｜Ic3｜、前記第１の方向と逆の第２の方向に電流を流し、前記第一の自由層の磁化を前記第一の固定層の磁化に対して平行状態から反平行状態に反転するのに必要な閾値電流の絶対値を｜Ic4｜、前記第２の方向に電流を流し、前記第二の自由層の磁化を前記第二の固定層の磁化に対して反平行状態から平行状態に反転するのに必要な閾値電流の絶対値を｜Ic2｜、前記第１の方向に電流を流し、前記第二の自由層の磁化を前記第二の固定層の磁化に対して平行状態から反平行状態に反転するのに必要な閾値電流の絶対値を｜Ic1｜とするとき、次の関係を満たすことを特徴とする磁気メモリセル。
    　　　　　｜Ic3｜＞｜Ic1｜　かつ　｜Ic4｜＞｜Ic2｜
  9. 　請求項８記載の磁気メモリセルにおいて、前記非磁性層は、前記第一のトンネル磁気抵抗素子の第一の自由層あるいは第一の固定層と、前記第二のトンネル磁気抵抗素子の第二の自由層あるいは第二の固定層との間に磁気的な結合を生じさせない膜厚を有することを特徴とする磁気メモリセル。
  10. 　請求項８記載の磁気メモリセルにおいて、前記第一の自由層と前記第一の固定層、前記第二の自由層と前記第二の固定層の少なくとも一組は、磁化方向が膜面垂直方向に向いている一対の垂直磁化膜からなることを特徴とする磁気メモリセル。
  11. 　請求項８記載の磁気メモリセルにおいて、
    　第１の情報を書き込むときは、前記第１の方向に｜Ic3｜以上の電流を流した後、電流をゼロにもどし、
    　第２の情報を書き込むときは、前記第２の方向に｜Ic4｜以上の電流を流し、次に前記第１の方向に｜Ic1｜と｜Ic3｜の間の電流を流し、次に電流をゼロへ戻し、
    　第３の情報を書き込むときは、前記第１の方向に｜Ic3｜以上の電流を流した後、前記第２の方向に｜Ic4｜と｜Ic2｜の間の電流を流し、次に電流ゼロへ戻す
    ことを特徴とする磁気メモリセル。
  12. 　それぞれが磁気抵抗素子と、前記磁気抵抗素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子とを有し、前記スイッチング素子を介して前記磁気抵抗素子に流れる電流により情報の書込みを行う複数の磁気メモリセルと、
    　前記複数の磁気メモリセルから一つを選択して情報の書込みあるいは読取りを行ための選択制御手段とを備える磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
    　前記磁気抵抗素子は、非磁性層と、前記非磁性層を挟んで直列に接続された第一のトンネル磁気抵抗素子及び第二のトンネル磁気抵抗素子と、前記非磁性層を介して前記第一のトンネル磁気抵抗素子及び前記第二のトンネル磁気抵抗素子に電流を流すための一対の電極膜とを有し、
    　前記第一のトンネル磁気抵抗素子は、第一の障壁層と、前記第一の障壁層を挟んで設けられた第一の自由層と第一の固定層とを有し、
    　前記第二のトンネル磁気抵抗素子は、第二の障壁層と、前記第二の障壁層を挟んで設けられた第二の自由層と第二の固定層とを有し、
    　前記非磁性層に対して前記第一の固定層は前記第一の自由層より遠くに配置されると共に前記第二の固定層は前記第二の自由層より遠くに配置され、あるいは、前記非磁性層に対して前記第一の自由層は前記第一の固定層より遠くに配置されると共に前記第二の自由層は前記第二の固定層より遠くに配置され、
    　前記第一の自由層と前記第二の自由層の磁化方向が、前記一対の電極膜の間に流れる電流により反転し、
    　第１の方向に電流を流し、前記第一の自由層の磁化を前記第一の固定層の磁化に対して反平行状態から平行状態に反転するのに必要な閾値電流の絶対値を｜Ic3｜、前記第１の方向と逆の第２の方向に電流を流し、前記第一の自由層の磁化を前記第一の固定層の磁化に対して平行状態から反平行状態に反転するのに必要な閾値電流の絶対値を｜Ic4｜、前記第２の方向に電流を流し、前記第二の自由層の磁化を前記第二の固定層の磁化に対して反平行状態から平行状態に反転するのに必要な閾値電流の絶対値を｜Ic2｜、前記第１の方向に電流を流し、前記第二の自由層の磁化を前記第二の固定層の磁化に対して平行状態から反平行状態に反転するのに必要な閾値電流の絶対値を｜Ic1｜とするとき、次の関係を満たし、
    　　　　　｜Ic3｜＞｜Ic1｜　かつ　｜Ic4｜＞｜Ic2｜
    　前記選択制御手段は、前記選択した磁気メモリセルの磁気抵抗素子に、前記第１の方向に流れる｜Ic3｜以上の電流、前記第２の方向に流れる｜Ic4｜以上の電流、前記第１の方向に流れる｜Ic1｜と｜Ic3｜の間の電流、前記第２の方向に流れる｜Ic4｜と｜Ic2｜の間の電流を選択的に流すことを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
  13. 　請求項１２記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、前記選択制御手段は、前記選択した磁気メモリセルへの情報の書込みに際し、
    　第１の情報を書き込むときは、｜Ic3｜以上の電流を前記第１の方向に流した後、電流をゼロにもどし、
    　第２の情報を書き込むときは、前記第２の方向に｜Ic4｜以上の電流を流し、次に第１の方向に｜Ic1｜と｜Ic3｜の間の電流を流し、次に電流をゼロへ戻し、
    　第３の情報を書き込むときは、前記第１の方向に｜Ic3｜以上の電流を流した後、前記第２の方向に｜Ic4｜と｜Ic2｜の間の電流を流し、次に電流ゼロへ戻す
    ことを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
  14. 　請求項１２記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、前記第一の自由層と前記第一の固定層、前記第二の自由層と前記第二の固定層の少なくとも一組は、磁化方向が膜面垂直方向に向いている一対の垂直磁化膜からなることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
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