WO2023234269A1 - 磁気メモリ素子、情報処理システム、及び磁気メモリ素子の制御方法 - Google Patents
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
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- H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
- H10B61/00—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices
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- H10N50/00—Galvanomagnetic devices
- H10N50/10—Magnetoresistive devices
Definitions
- the present invention relates to a magnetic memory element, an information processing system, and a method of controlling a magnetic memory element.
- Magnetic random access memory (MRAM) using ferromagnetic materials is nonvolatile, and is therefore attracting attention as a memory that realizes information processing with low power consumption.
- various semiconductor manufacturers are adopting MRAM as a replacement for volatile memories such as static random access memory (SRAM).
- SRAM static random access memory
- Examples of such MRAM include STT-MRAM, which uses spin transfer torque (STT) to reverse the magnetization of a ferromagnetic material, and SOT-MRAM, which uses spin-orbit torque (SOT) to reverse the magnetization of a ferromagnetic material.
- STT-MRAM spin transfer torque
- SOT-MRAM spin-orbit torque
- the magnetization reversal speed remains at around 1 nanosecond.
- the THz band (picosecond ) has the problem of not being able to respond.
- the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to enable high-speed writing and reading operations using a magnetic memory element using an antiferromagnetic material.
- a magnetic memory element has an antiferromagnetic layer that has uniaxial strain, is made of an antiferromagnetic metal containing manganese, and has an antiferromagnetic layer in which the magnetic order of the antiferromagnetic metal can be controlled by spin torque. .
- a magnetic memory element is made of a substance exhibiting a spin Hall effect, and includes a spin Hall layer in which a spin current is generated when a write current flows in an in-plane direction, and a spin Hall layer laminated on the spin Hall layer, which is uniaxially strained. a free layer that includes an antiferromagnetic metal containing manganese and in which the magnetic order of the antiferromagnetic metal can be reversed by spin-orbit torque generated by a spin current, and a nonmagnetic layer laminated on the free layer.
- a reference layer laminated on the nonmagnetic layer made of a ferromagnetic metal or an antiferromagnetic metal containing manganese, and in which the magnetic order of the ferromagnetic metal or the antiferromagnetic metal is fixed.
- a magnetic memory element includes a reference layer made of a ferromagnetic metal or an antiferromagnetic metal containing manganese, and a reference layer in which the magnetic order of the ferromagnetic metal or the antiferromagnetic metal is fixed.
- a reference layer made of a ferromagnetic metal or an antiferromagnetic metal containing manganese
- a reference layer in which the magnetic order of the ferromagnetic metal or the antiferromagnetic metal is fixed.
- which includes a nonmagnetic layer laminated on a reference layer and an antiferromagnetic metal laminated on the nonmagnetic layer has uniaxial strain, and contains manganese, and when a write current flows in the direction perpendicular to the plane, spin transfer occurs. and a free layer in which the magnetic order of the antiferromagnetic metal can be reversed by torque.
- An information processing system is an information processing system including the above-described magnetic memory element.
- An information processing system is an information processing system including a magnetic memory device having a plurality of the above-described magnetic memory elements arranged in a matrix.
- a method for controlling a magnetic memory element is a method for controlling a magnetic memory element including an antiferromagnetic layer having uniaxial strain and made of an antiferromagnetic metal containing manganese, the method comprising: Controlling magnetic order in antiferromagnetic metals by torque.
- a method for controlling a magnetic memory element includes a spin Hall layer made of a substance exhibiting a spin Hall effect, and an antiferromagnetic material laminated on the spin Hall layer, having uniaxial strain and containing manganese.
- a free layer containing metal, a nonmagnetic layer laminated on the free layer, and a ferromagnetic metal or an antiferromagnetic metal containing manganese laminated on the nonmagnetic layer, and the ferromagnetic metal or antiferromagnetic material A method for controlling a magnetic memory element comprising a reference layer in which magnetic order of metal is fixed, the method comprising: generating a spin current by flowing a write current in an in-plane direction in a spin hole layer; reversing the magnetic order of the antiferromagnetic metal of the free layer by spin-orbit torque.
- a method for controlling a magnetic memory element is a method for controlling a magnetic memory element made of a ferromagnetic metal or an antiferromagnetic metal containing manganese, and in which the magnetic order of the ferromagnetic metal or the antiferromagnetic metal is fixed.
- Control of a magnetic memory element comprising a reference layer, a nonmagnetic layer laminated on the reference layer, and a free layer laminated on the nonmagnetic layer, having uniaxial strain and containing an antiferromagnetic metal containing manganese.
- the method reverses the magnetic order of antiferromagnetic metal in the free layer by applying a write current in a direction perpendicular to the plane of a magnetic memory element using spin transfer torque.
- a magnetic memory element includes an antiferromagnetic layer that has uniaxial strain and is made of an antiferromagnetic metal containing manganese, and the magnetic order of the antiferromagnetic metal can be controlled by spin torque. Therefore, the magnetization reversal speed can be increased, and high-speed writing and reading operations can be performed.
- FIG. 1 is a cross-sectional view of a magnetic memory element according to a first embodiment of the present invention.
- FIG. 2 is a schematic diagram showing the crystal structure and magnetic structure of Mn 3 Sn.
- FIG. 3 is a schematic diagram for explaining control of the magnetic state when in-plane tensile strain exists in the Mn 3 Sn layer of the MgO substrate/W/Mn 3 Sn multilayer film. It is a graph showing the X-ray diffraction pattern of the 2 ⁇ / ⁇ scan for the MgO substrate/W/Mn 3 Sn/MgO sample and the MgO substrate. 3 is a graph showing ⁇ scan X-ray diffraction patterns for an Mn 3 Sn layer, a W layer, and an MgO substrate.
- FIG. 1 is a cross-sectional transmission electron microscope (TEM) image of a Mn 3 Sn layer.
- FIG. 3 is a schematic diagram for explaining tensile strain of an Mn 3 Sn layer in an epitaxial film.
- FIG. 2 is a schematic diagram showing a binary state of a Kagome layer stabilized by epitaxial uniaxial tensile strain ( ⁇ >0) in a Mn 3 Sn layer.
- FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of a magnetic memory element having a Hall bar structure.
- FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of two Mn 3 Sn samples (M1 and M2) with different compression directions. It is a graph showing the magnetic field dependence of magnetization at various uniaxial stresses for each sample. It is a graph showing the temperature dependence of magnetization at various uniaxial stresses for each sample.
- FIG. 2 is a schematic diagram for explaining measurement of the Hall effect on two Mn 3 Sn samples (H1 and H2) with different strain directions. It is a graph showing magnetic field dependence of Hall resistivity at various strains for sample H1. It is a graph showing magnetic field dependence of Hall resistivity at various strains for sample H2.
- FIG. 7 is a cross-sectional view of a magnetoresistive element constituting a magnetic memory element according to a third embodiment of the present invention. 17 is a schematic diagram for explaining the resistance state of the magnetoresistive element of FIG. 16.
- FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a magnetic memory element of SOT-MRAM.
- FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of a magnetic memory element of STT-MRAM.
- a multilayer film may be expressed by the substance of each layer that constitutes the multilayer film.
- this multilayer film is expressed as "substance a/substance b/substance c.”
- the thickness (nm) of each layer may be written in parentheses after the substance name. For example, a layer having a thickness of ti (nm) and made of substance j is expressed as "substance j (ti)".
- an antiferromagnetic material is used instead of a ferromagnetic material in order to realize a nonvolatile memory that can operate at high speed.
- antiferromagnetic materials have a spin response speed that is two to three orders of magnitude faster than ferromagnetic materials in the THz band (picoseconds), and the interaction between magnetic materials is small, making magnetic devices even faster. This is because there is a possibility of high integration.
- the magnetic memory element 100 includes a substrate 10, a spin Hall layer 12 on the substrate 10, and an antiferromagnetic layer 14 on the spin Hall layer 12.
- the substrate 10 is made of an insulator such as MgO.
- the spin Hall layer 12 is made of a substance exhibiting a spin Hall effect (spin Hall material), such as a nonmagnetic heavy metal such as tantalum (Ta), tungsten (W), or platinum (Pt), or a chalcogenide material such as a topological insulator.
- Consisting of The antiferromagnetic layer 14 is a thin film made of antiferromagnetic metal containing manganese (Mn).
- Examples of gamma-type Mn alloys include Mn 1-x Fe x , Mn 1-x Rh x , Mn 1-x Pd x , and the like.
- a mixture of different Mn 3 X for example, a mixture of Mn 3 Sn and Mn 3 Ga
- a mixture of Mn 3 A mixture of these materials may be used for the antiferromagnetic layer 14.
- the magnetic memory element 100 shown in FIG. 1 a configuration in which a spin Hall layer is stacked on an antiferromagnetic layer (substrate/antiferromagnetic layer/spin Hall layer) may be adopted. Further, the antiferromagnetic layer may be sandwiched between two spin Hall layers made of spin Hall materials having spin Hall angles of different signs. Below, the magnetic memory element 100 shown in FIG. 1 will be mainly described.
- the magnetic memory element 100 Next, a method for manufacturing the magnetic memory element 100 will be explained.
- a W (7 nm)/Mn 3 Sn (30 nm)/MgO (5 nm) multilayer film is formed on an MgO (110) substrate.
- the MgO (5 nm) layer is provided to prevent oxidation of the Mn 3 Sn layer.
- the thickness (nm) of each layer of the magnetic memory element 100 is an example, and is not limited.
- the MgO substrate is annealed at 800° C. for 10 minutes in an ultra-high vacuum chamber.
- a W (7 nm)/Mn 3 Sn (30 nm)/MgO (5 nm) multilayer film was deposited on an MgO (110) substrate by molecular beam epitaxy (MBE) under ultra-high vacuum with a base pressure of 2 ⁇ 10 -8 Pa. Created.
- a W (7 nm) layer is deposited at 300°C at a rate of 0.1 ⁇ /s and then annealed at 800°C for 10 minutes.
- the Mn 3 Sn (30 nm) layer is fabricated by co-evaporation of Mn and Sn at a rate of 0.25 ⁇ /s.
- a Mn 3 Sn (5 nm) layer is deposited at room temperature and then annealed at 400°C.
- An additional Mn 3 Sn (25 nm) layer is then deposited at about 260°C.
- a clear striped pattern can be observed from an in-situ reflection high-energy electron diffraction (RHEED) image. This indicates that the W layer and the Mn 3 Sn layer are epitaxially grown in this manufacturing process.
- RHEED reflection high-energy electron diffraction
- a MgO layer is fabricated at room temperature at a rate of 0.1 ⁇ /s.
- the MgO (110) substrate/W (7 nm)/Mn 3 Sn (30 nm)/MgO (5 nm) multilayer film is annealed at 650° C. for 30 minutes. Note that by using a similar baking process in the sputtering method instead of the MBE method, a multilayer film having the same characteristics as the multilayer film produced by the MBE method can be manufactured.
- Mn 3 Sn is an antiferromagnetic material that has a triangular-based crystal structure called a kagome lattice, and as shown in FIG. 2, it has a structure in which kagome lattices are stacked in the [0001] direction. Due to geometric frustration, Mn located at the apex of the Kagome lattice has a non-collinear magnetic structure in which the magnetic moments (orientations of localized spins) are tilted 120 degrees to each other at temperatures below 420 K. shows.
- the six spin units of three types arranged on a two-layered Kagome lattice form a spin order called a cluster magnetic octupole, which is represented by a hexagon.
- This non-collinear magnetic structure can be considered as a ferromagnetic order of cluster magnetic octupole.
- This ferromagnetic order macroscopically breaks time reversal symmetry.
- the cluster magnetic octupole corresponds to Weyl points, which are topological electronic structures, and the orientation of the virtual magnetic field in momentum space (equivalent to 100 to 1000 Tesla (T) in real space), and the cluster magnetic octupole
- T Tesla
- the response derived from the Weyl points and the virtual magnetic field can be controlled by the orientation of the poles.
- the magnetic structure as shown in FIG. 2 has orthorhombic symmetry, and only one of the three magnetic moments of Mn located at the vertices of the triangle is parallel to the axis of easy magnetization. Since the other two magnetic moments cant with respect to the easy axis of magnetization, it is thought that a weak ferromagnetic moment is induced.
- An antiferromagnetic material that has minute magnetization due to a canted magnetic moment is called a canted antiferromagnet.
- the crystal orientation of Mn 3 Sn plays an important role in enhancing the read signal of a magnetic memory element. For example, in the measurement of the anomalous Hall effect described below, only crystal grains in which the magnetic order of the cluster magnetic octupole has a component in the perpendicular direction (perpendicular to the surface of the substrate 10) contribute to the Hall voltage.
- a tensile strain ⁇ in the [2-1-10] direction is generated in the Mn 3 Sn layer, as shown in FIG.
- the magnetic order of the cluster magnetic octupole is oriented perpendicular to the plane. This determines the binary state (upward, downward) on the Kagome layer (see FIG. 6B).
- FIG. 4A shows 2 ⁇ / ⁇ scan X-ray diffraction patterns for the MgO (110) substrate/W (7 nm)/Mn 3 Sn (30 nm)/MgO (5 nm) sample and the MgO (110) substrate.
- the temperature T A when annealing the multilayer film after forming all layers is 650°C and 700°C.
- the X-ray diffraction pattern is shown.
- FIG. 4A also shows the theoretical spectra of D0 19 type Mn 3 Sn and ⁇ -W. Further, FIG. 4B shows X-ray diffraction patterns of ⁇ scans for the ⁇ 02-21 ⁇ plane of the Mn 3 Sn layer, the ⁇ 110 ⁇ plane of the W layer, and the ⁇ 200 ⁇ plane of the MgO substrate.
- the ⁇ 110 ⁇ peak of the W layer and the ⁇ 021 ⁇ peak of the Mn 3 Sn layer appear to be shifted by 90 degrees from the ⁇ 200 ⁇ peak of the MgO substrate.
- the Mn 3 Sn layer is selectively oriented as MgO(110)[001]
- FIG. 5 shows the atomic arrangement of the Mn 3 Sn layer in the MBE grown film.
- the interatomic distances d 1 and d 2 in each triangle constituting the hexagon, and the angle ⁇ 12 can be determined experimentally.
- Other interatomic distance d 3 and length d in parallel to the [2-1-10] direction (x direction) can be determined from d 1 , d 2 , and ⁇ 12 .
- the Mn 3 Sn layer in the MBE-grown film has almost the same d 1 but longer d 2 and larger ⁇ 12 , increasing d in from 4.251 ⁇ to 4.25 ⁇ . It has increased to 261 ⁇ . This indicates that about 0.2% tensile strain (epitaxial strain) ⁇ exists in the [2-1-10] direction (x direction).
- the presence of similar strain can also be evaluated from a cross-sectional transmission electron microscope (TEM) image of the Mn 3 Sn layer shown in FIG. 4C.
- the diamonds represent Mn 3 Sn unit cells.
- the spin structure on the Kagome layer has a magnetic order of six equivalent ⁇ 2-1-10 ⁇ cluster magnetic octopoles, as shown in FIG. 6A. It assumes six degenerate states oriented along.
- the magnetic order of the cluster magnetic octupole changes along the perpendicular direction, as shown in Figure 6B. It takes a binary state of parallel (upward) and antiparallel (downward) to the [01-10] direction. Thereby, binary data (“0” and “1”) can be represented.
- FIG. 7 shows the configuration of a magnetic memory element 100 having a Hall bar structure. Electrodes 16a and 16b made of Au/Ti are arranged at both ends of the sample in the longitudinal direction (x direction) of the magnetic memory element 100, and electrodes 18a and 18b made of Au/Ti are arranged in the transverse direction (y direction). is located. A write current I write or a read current I read flows between the electrodes 16a and 16b, and a Hall voltage VH is detected between the electrodes 18a and 18b.
- a write current I write pulse current
- a spin current is generated in the perpendicular direction (z direction) due to the spin Hall effect, and the SOT acts on the magnetization of the antiferromagnetic layer 14, thereby reversing the magnetization.
- Hx weak bias magnetic field
- the direction of magnetization of the antiferromagnetic layer 14 can be controlled by the direction of the write current I write .
- the magnetization is reversed from the +z direction (“1”) to the ⁇ z direction (“0”), and when a write current I write is applied in the ⁇ x direction, the magnetization changes to ⁇ It is reversed from the z direction (“0”) to the +z direction (“1”).
- a read current I read DC
- a Hall voltage V H is generated in the y direction due to the abnormal Hall effect.
- the sign of the Hall voltage V H is determined by the z component of the magnetization of the antiferromagnetic layer 14 . For example, when the magnetization of the antiferromagnetic layer 14 is oriented in the +z direction, it corresponds to "1", and when it is oriented in the -z direction, it corresponds to "0".
- the multilayer film of the magnetic memory element 100 used in the measurement was W (7 nm)/Mn 3 Sn (30 nm) on an MgO substrate.
- FIG. 8A shows the change in the Hall voltage V H with respect to the vertical magnetic field H (magnetic field in the z direction) at room temperature. As shown in FIG. 8A, a clear hysteresis of the Hall voltage V H is observed.
- the difference (Hall voltage change) ⁇ V H field at zero magnetic field between the Hall voltage V H when the magnetic field H is swept from negative to positive and the Hall voltage V H when the magnetic field H is swept from positive to negative is approximately 40 ⁇ V It is.
- FIG. 8B shows the Hall voltage V H with respect to the write current I write at room temperature when a bias magnetic field ⁇ 0 H of 0.1 T is applied in the x direction to a W (7 nm)/Mn 3 Sn (30 nm) multilayer film. shows the change in
- a read current I read is applied after a write current I write is applied.
- a clear hysteresis is observed, and the jump in the Hall voltage V H due to the write current I write exceeding the threshold corresponds to a reversal of the magnetic order (magnetization reversal) of the cluster magnetic octupole.
- the difference (Hall voltage change) between the Hall voltage V H when the write current I write is swept from negative to positive and the Hall voltage V H when the write current I write is swept from positive to negative is expressed as ⁇ V H current . do.
- indicates the ratio of actually reversed magnetic domains (reversal ratio) to the total reversible magnetic domains. Also in FIG. 8B, since ⁇ V H current is approximately 40 ⁇ V, ⁇ V H current /
- FIGS. 8A and 8B show that in the Mn 3 Sn layer, perpendicular magnetic anisotropy is effective due to epitaxial strain in the in-plane direction. This can be considered to be due to the control of magnetic anisotropy by the piezomagnetic effect described in the second embodiment below. This makes it possible to obtain a stable binary antiferromagnetic state, eliminate signal variations even when the magnetic memory element 100 is miniaturized, and improve operational reliability.
- the magnetic memory element according to the first embodiment when there is epitaxial strain in the in-plane direction of the antiferromagnetic layer, the cluster magnetic eight characterizing the antiferromagnetic state in the direction perpendicular to the strain direction.
- the magnetic order of the poles can be oriented and define binary states. Therefore, a magnetic memory element using an antiferromagnetic material enables high-speed write and read operations.
- the magnetic memory element according to the second embodiment also has the same configuration as the magnetic memory element 100 (FIG. 1) according to the first embodiment, and the material of the multilayer film constituting the magnetic memory element is also the same as that of the first embodiment. The same is true.
- the second embodiment will also be described using Mn 3 Sn as an example of the antiferromagnetic metal.
- Both samples M1 and M2 are single crystals made of Mn 3 Sn , and as shown in FIG. This is a sample to which a uniaxial stress ⁇ yy of ⁇ yy was applied from above and below. Further, a magnetic field H x in the [2-1-10] direction (+x direction) and a magnetic field H y in the [01-10] direction (+y direction) are applied to the samples M1 and M2, respectively. Uniaxial stress is applied to these samples using, for example, a piston cylinder type pressure cell described in the following non-patent literature. Kittaka, S., Taniguchi, H., Yonezawa, S., Yaguchi, H. & Maeno, Y. “Higher-Tc superconducting phase in Sr 2 RuO 4 induced by uniaxial pressure” Phys. Rev. B 81, 180510 (2010 )
- FIG. 13 shows the uniaxial stress dependence of spontaneous magnetization MS and magnetic susceptibility ⁇ at 300 K for samples M1 and M2.
- data black circles
- data white circles
- M S of sample M1 is 3.6 m ⁇ B /f. u.
- the coercive force is very small at 0.03T.
- M S of sample M1 is 10.7 m ⁇ B /f. u. This represents an approximately three-fold increase.
- the magnetization M increases linearly with respect to the magnetic field, except in the low magnetic field region, and the slope thereof represents the magnetic susceptibility ⁇ .
- samples H1 and H2 are both samples of single-crystal antiferromagnetic layers 20 made of Mn 3 Sn, and sample H1 has a strain ⁇ xx in the x direction and the y direction, respectively.
- a magnetic field H y is applied, and a strain ⁇ yy and a magnetic field H x are applied to the sample H2 in the y direction and the x direction, respectively.
- a piezo-type strain device described in the following non-patent literature is used to measure the anomalous Hall effect under various strains. Hicks, C. W., Barber, M. E., Edkins, S. D., Brodsky, D. O. & Mackenzie, A. P. “Piezoelectric-based apparatus for strain tuning” Rev. Sci. Instrum. 85, 065003 (2014)
- a current I flows through the samples H1 and H2 along the strain direction, and a Hall voltage V H perpendicular to the current I in the plane is measured.
- V H ⁇ I/t.
- FIG. 15A shows the magnetic field dependence of the Hall resistivity ⁇ zx at 300 K at various strains ⁇ xx for sample H1.
- the Hall resistivity ⁇ zy of sample H2 behaves almost the same as that of sample H1.
- the signal read out by the anomalous Hall effect or magnetoresistive effect can be increased in the direction in which compressive strain is applied.
- the magnitude of magnetization, the anomalous Hall effect, and the magnetoresistive effect can be controlled by applying compressive strain. This enables high-speed write and read operations using a magnetic memory element using antiferromagnetic material.
- antiferromagnetic layer described in the first and second embodiments may be a single crystal film or a polycrystalline film.
- free layer antiferromagnetic layer
- a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 16 to 19.
- the third embodiment is directed to a magnetic memory element including a magnetoresistive element.
- the magnetoresistive element 30 includes a free layer 32 whose magnetization is reversible, a non-magnetic layer 34 in contact with the free layer 32, and a magnetization in-plane or perpendicular to the non-magnetic layer 34. and a reference layer 36 whose direction is fixed.
- the nonmagnetic layer 34 is made of an insulator (eg, MgO, AlOx, MgAl 2 O 4 ).
- the free layer 32 and the reference layer 36 are both thin films made of the same antiferromagnetic metal as the antiferromagnetic layer 14 of FIG. 1, but the reference layer 36 has a larger coercive force than the free layer 32.
- the free layer 32 preferably has the uniaxial strain (epitaxial strain or compressive strain) described in the first embodiment or the second embodiment.
- the magnetoresistive element 30 functions as a magnetic tunnel junction (MTJ) element.
- MTJ magnetic tunnel junction
- Data “0” and “1” are assigned to the magnetoresistive element 30 depending on the resistance state. For example, when the free layer 32 and the reference layer 36 are made of Mn 3 Sn, as shown in FIG. When (parallel state), the magnetoresistive element 30 is in a low resistance state, and when the directions are opposite to each other (antiparallel state), the magnetoresistive element 30 is in a high resistance state. Parallel state data can be assigned as "0", and anti-parallel state data can be assigned as "1". In addition, experimentally, the magnetoresistive element 30 may be in a high resistance state when in the parallel state, and may be in a low resistance state when in the antiparallel state.
- tunnel magnetoresistive effect of a ferromagnetic layer/nonmagnetic layer/ferromagnetic layer magnetoresistive element is proportional to the spin polarization of the ferromagnetic material.
- TMR tunnel magnetoresistive effect
- Mn 3 Sn which is an antiferromagnetic material, has a spin polarization rate that is three orders of magnitude smaller than that of iron (Fe), which is a ferromagnetic material.
- the TMR rate (%) is ⁇ (R H - R L )/R H ⁇ 100( %).
- a TMR rate of approximately 1% has been observed for the Mn 3 Sn/MgO/Mn 3 Sn multilayer, which is greater than the TMR rate observed for the Fe/MgO/Mn 3 Sn multilayer.
- the magnetic memory element according to the third embodiment can function as a magnetic random access memory (MRAM) element.
- MRAM magnetic random access memory
- FIG. 18 shows the configuration of a magnetic memory element 200 of SOT-MRAM.
- the magnetic memory element 200 includes a magnetoresistive element 210, a spin Hall layer 220, a first terminal 231, a second terminal 232, a third terminal 233, and transistors Tr1 and Tr2.
- the spin Hall layer 220 is made of a nonmagnetic heavy metal (W, Ta, etc.) or a chalcogenide substance that exhibits the spin Hall effect.
- the magnetoresistive element 210 includes a free layer 212 that is laminated on a spin Hall layer 220 and whose magnetization can be reversed, a nonmagnetic layer 214 that is laminated on the free layer 212, and a free layer 214 that is laminated on the nonmagnetic layer 214 and whose magnetization is reversible.
- the reference layer 216 is fixed in the direction perpendicular to the plane. Free layer 212, nonmagnetic layer 214, and reference layer 216 are made of the same material as free layer 32, nonmagnetic layer 34, and reference layer 36 of FIG. 16, respectively.
- the first terminal 231, the second terminal 232, and the third terminal 233 are made of metal.
- a first terminal 231 is connected to the reference layer 216, a second terminal 232 is connected to one end of the spin hole layer 220, and a third terminal 233 is connected to the other end of the spin hole layer 220.
- the first terminal 231 is connected to a ground line 240.
- Ground line 240 is set to ground voltage. Note that the ground line 240 may be set to a reference voltage other than the ground voltage.
- the transistors Tr1 and Tr2 are, for example, N-channel metal oxide semiconductor (NMOS) transistors.
- the second terminal 232 is connected to the drain of the transistor Tr1, and the third terminal 233 is connected to the drain of the transistor Tr2.
- the gates of transistors Tr1 and Tr2 are connected to word line WL.
- the source of the transistor Tr1 is connected to the first bit line BL1, and the source of the transistor Tr2 is connected to the second bit line BL2.
- the word line WL is set to a high level, transistors Tr1 and Tr2 are turned on, one bit line (second bit line BL2) is set to a high level, The other bit line (first bit line BL1) is left open.
- a read current I flows from the high level second bit line BL2 to the third terminal 233, spin hole layer 220, free layer 212, nonmagnetic layer 214, reference layer 216, first terminal 231, and ground line 240. read flows.
- the resistance state of the magnetoresistive element 210 that is, the stored data can be determined.
- FIG. 19 shows the configuration of a magnetic memory element 300 of an MRAM (STT-MRAM) that uses spin transfer torque (STT) to reverse magnetization.
- the magnetic memory element 300 includes a magnetoresistive element 310, a first terminal 321, a second terminal 322, and a transistor Tr.
- the magnetoresistive element 310 includes a reference layer 316 whose magnetization is fixed perpendicular to the plane, a nonmagnetic layer 314 laminated on the reference layer 316, and a free layer laminated on the nonmagnetic layer 314 whose magnetization is reversible. 312.
- Free layer 312, nonmagnetic layer 314, and reference layer 316 are made of the same material as free layer 32, nonmagnetic layer 34, and reference layer 36 of FIG. 16, respectively.
- the first terminal 321 and the second terminal 322 are made of metal.
- the free layer 312 is connected to a first terminal 321 and the reference layer 316 is connected to a second terminal 322.
- the first terminal 321 is connected to the bit line BL, and the second terminal 322 is connected to the transistor Tr.
- the transistor Tr is, for example, an NMOS transistor.
- the second terminal 322 is connected to the drain of the transistor Tr, the source line SL is connected to the source, and the word line WL is connected to the gate.
- the word line WL is set to a high level, the transistor Tr is turned on, and a write current I write in a direction perpendicular to the plane is caused to flow between the bit line BL and the source line SL.
- the magnetization of the free layer 312 is reversed by the STT, and data can be written.
- the data to be written can be changed depending on the direction of the write current I write .
- the word line WL is set to a high level, the transistor Tr is turned on, and a read current I read is caused to flow between the bit line BL and the source line SL.
- the resistance state of the magnetoresistive element 310 that is, the stored data can be determined.
- FIGS. 16, 18, and 19 show examples in which the magnetoresistive elements 30, 210, and 310 are MTJ elements, they can also function as giant magnetoresistive (GMR) elements.
- the nonmagnetic layers 34, 214, and 314 are made of metal (conductor).
- the reference layer 216 in FIG. 18 and the reference layer 316 in FIG. may also be used as a magnetic layer.
- FIG. 16 shows examples in which the magnetoresistive elements 30, 210, and 310 are MTJ elements, they can also function as giant magnetoresistive (GMR) elements.
- the nonmagnetic layers 34, 214, and 314 are made of metal (conductor).
- the reference layer 216 in FIG. 18 and the reference layer 316 in FIG. may also be used as a magnetic layer.
- ferromagnetic layer made of a ferromagnetic material (for example, CoFeB) with a thickness of 2 nm or less is laminated on the antiferromagnetic layer as the free layer 212, and [antiferromagnetic layer/ferromagnetic layer]
- a magnetoresistive element consisting of (free layer)/nonmagnetic layer/ferromagnetic layer (reference layer) may be employed.
- This laminated structure may be turned upside down to adopt a magnetoresistive element consisting of ferromagnetic layer (reference layer)/non-magnetic layer/[ferromagnetic layer/antiferromagnetic layer (free layer)] as shown in FIG. .
- a magnetic memory device may be configured in which a plurality of magnetic memory elements 200 are arranged in a matrix.
- a magnetic memory device may be configured in which a plurality of magnetic memory elements 300 are arranged in a matrix.
- a computer system or an information processing system may be configured including such a magnetic memory device.
- Substrate 12 220 Spin Hall layer 14, 20 Antiferromagnetic layer 100, 200, 300 Magnetic memory element 16a, 16b, 18a, 18b Electrode 30, 210, 310 Magnetoresistive element 32, 212, 312 Free layer 34, 214, 314 Nonmagnetic layer 36, 216, 316 Reference layer
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Abstract
磁気メモリ素子(100)は、基板(10)と、基板(10)上に積層され、スピンホール効果を示す物質(例えば、非磁性重金属)からなり、面内方向に書き込み電流Iwriteが流れるとスピン流が発生するスピンホール層(12)と、スピンホール層(12)上に積層され、面内方向の引っ張り歪εを有し、マンガンを含む反強磁性体金属(例えば、Mn3Sn)からなり、スピン流によって生じたスピン軌道トルクによって反強磁性体金属の磁化が反転可能な反強磁性層(14)とを備える。
Description
本発明は、磁気メモリ素子、情報処理システム、及び磁気メモリ素子の制御方法に関する。
強磁性体を用いた磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM)は、不揮発性であるため、低消費電力の情報処理を実現するメモリとして注目を集めている。実際、様々な半導体メーカーが、スタティックランダムアクセスメモリ(SRAM)などの揮発性メモリの代替としてMRAMを採用している。このようなMRAMの例として、スピントランスファトルク(STT)を用いて強磁性体の磁化を反転させるSTT‐MRAM、スピン軌道トルク(SOT)を用いて強磁性体の磁化を反転させるSOT‐MRAMなどがある(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、現状のMRAMは強磁性体を用いているため、磁化の反転速度が1ナノ秒程度にとどまっており、特に、光通信の高速化に伴って今後ますます重要になるTHz帯域(ピコ秒)には対応することができないという課題がある。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、反強磁性体を用いた磁気メモリ素子により、高速の書き込み及び読み出し動作を可能にすることを目的とする。
本発明の一態様に係る磁気メモリ素子は、一軸歪を有し、マンガンを含む反強磁性体金属からなり、スピントルクによって反強磁性体金属の磁気秩序が制御可能な反強磁性層を備える。
本発明の別の態様に係る磁気メモリ素子は、スピンホール効果を示す物質からなり、面内方向に書き込み電流が流れるとスピン流が発生するスピンホール層と、スピンホール層に積層され、一軸歪を有し、マンガンを含む反強磁性体金属を含み、スピン流によって生じたスピン軌道トルクによって反強磁性体金属の磁気秩序が反転可能な自由層と、自由層に積層された非磁性層と、非磁性層に積層され、強磁性体金属又はマンガンを含む反強磁性体金属からなり、強磁性体金属又は反強磁性体金属の磁気秩序が固定された参照層と、を備える。
本発明のさらに別の態様に係る磁気メモリ素子は、強磁性体金属又はマンガンを含む反強磁性体金属からなり、強磁性体金属又は反強磁性体金属の磁気秩序が固定された参照層と、参照層上に積層された非磁性層と、非磁性層上に積層され、一軸歪を有し、マンガンを含む反強磁性体金属を含み、面直方向に書き込み電流が流れると、スピントランスファトルクによって反強磁性体金属の磁気秩序が反転可能な自由層と、を備える。
本発明のさらに別の態様に係る情報処理システムは、上述の磁気メモリ素子を備えた情報処理システムである。
本発明のさらに別の態様に係る情報処理システムは、上述の磁気メモリ素子を複数有し、マトリクス状に配列した磁気メモリ装置を備えた情報処理システムである。
本発明のさらに別の態様に係る磁気メモリ素子の制御方法は、一軸歪を有し、マンガンを含む反強磁性体金属からなる反強磁性層を備える磁気メモリ素子の制御方法であって、スピントルクによって反強磁性体金属の磁気秩序を制御する。
本発明のさらに別の態様に係る磁気メモリ素子の制御方法は、スピンホール効果を示す物質からなるスピンホール層と、スピンホール層に積層され、一軸歪を有し、マンガンを含む反強磁性体金属を含む自由層と、自由層に積層された非磁性層と、非磁性層に積層され、強磁性体金属又はマンガンを含む反強磁性体金属からなり、強磁性体金属又は反強磁性体金属の磁気秩序が固定された参照層とを備える磁気メモリ素子の制御方法であって、スピンホール層において面内方向に書き込み電流を流すことによりスピン流を発生するステップと、スピン流によって生じたスピン軌道トルクによって自由層の反強磁性体金属の磁気秩序を反転するステップと、を有する。
本発明のさらに別の態様に係る磁気メモリ素子の制御方法は、強磁性体金属又はマンガンを含む反強磁性体金属からなり、強磁性体金属又は反強磁性体金属の磁気秩序が固定された参照層と、参照層上に積層された非磁性層と、非磁性層上に積層され、一軸歪を有し、マンガンを含む反強磁性体金属を含む自由層とを備える磁気メモリ素子の制御方法であって、磁気メモリ素子の面直方向に書き込み電流を流すことにより、スピントランスファトルクによって自由層の反強磁性体金属の磁気秩序を反転する。
本発明によれば、磁気メモリ素子が、一軸歪を有し、マンガンを含む反強磁性体金属からなり、スピントルクによって反強磁性体金属の磁気秩序が制御可能な反強磁性層を備えることにより、磁化の反転速度を高めることができ、高速の書き込み及び読み出し動作が可能となる。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の実施形態では、図面全体を通して、同一又は同様の構成要素には同一の符号を付している。図面は模式的なものであり、平面寸法と厚さとの関係、及び各部材の厚さの比率は現実のものとは異なる。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
本実施形態では、多層膜を構成する各層の物質によって多層膜を表記することがある。例えば、物質aの層の上に、物質bの層、物質cの層が順に積層されている場合、この多層膜を「物質a/物質b/物質c」と表記する。また、各層の厚み(nm)を物質名の後に括弧付きで記載することがある。例えば、厚みがti(nm)で物質jからなる層を「物質j(ti)」と表記する。
本実施形態では、高速で動作可能な不揮発性メモリを実現させるため、強磁性体の代わりに反強磁性体を用いる。その理由は、反強磁性体はスピンの応答速度が強磁性体に比べて2~3桁速いTHz帯域(ピコ秒)であり、磁性体間の相互作用が小さいため、磁気デバイスをさらに高速化、高集積化できる可能性があるからである。
<第1実施形態>
図1~図8Bを参照して、本発明の第1実施形態を説明する。
図1~図8Bを参照して、本発明の第1実施形態を説明する。
まず、図1を参照して、第1実施形態に係る磁気メモリ素子100の構成を説明する。磁気メモリ素子100は、基板10と、基板10上のスピンホール層12と、スピンホール層12上の反強磁性層14とを備える。
基板10は、MgOなどの絶縁体からなる。スピンホール層12は、スピンホール効果を示す物質(スピンホール材料)からなり、例えば、タンタル(Ta)、タングステン(W)、白金(Pt)などの非磁性重金属、又はトポロジカル絶縁体などのカルコゲナイド物質からなる。反強磁性層14は、マンガン(Mn)を含む反強磁性体金属からなる薄膜である。このような反強磁性体金属として、Mn3X(X=Sn、Ge、Ga、Rh、Pt、Ir)、Mn3XN(X=Ga、Sn、Ni)、面心立方格子(fcc)構造のガンマ型Mn合金が挙げられる。ガンマ型Mn合金として、Mn1-xFex、Mn1-xRhx、Mn1-xPdxなどが挙げられる。あるいは、異なるMn3Xを混ぜたもの(例えば、Mn3SnとMn3Gaを混ぜたもの)や、Mn3Xに微量の他の元素を混ぜたもの(例えば、Mn3Snに微量のCrを混ぜたもの)を反強磁性層14に採用してもよい。
磁気メモリ素子100のスピンホール層12に面内方向の書き込み電流を流すと、スピンホール効果によって、面直方向にスピン流が発生し、スピン軌道トルク(SOT)が反強磁性層14の磁化に働くことによって、磁化を反転させることができる。
なお、図1に示す磁気メモリ素子100の代わりに、反強磁性層上にスピンホール層を積層する構成(基板/反強磁性層/スピンホール層)を採用してもよい。また、反強磁性層を、異なる符号のスピンホール角を有するスピンホール材料からなる2つのスピンホール層で上下に挟むようにしてもよい。以下では、主に図1に示す磁気メモリ素子100について説明する。
次に、磁気メモリ素子100の作製方法を説明する。以下では、MgO(110)基板上にW(7nm)/Mn3Sn(30nm)/MgO(5nm)多層膜を形成する例を挙げる。ここで、MgO(5nm)層は、Mn3Sn層の酸化防止のために設けられる。なお、磁気メモリ素子100の各層の厚み(nm)は一例であって、限定されるものではない。
まず、超高真空チャンバーにおいて800℃で10分間、MgO基板をアニールする。W(7nm)/Mn3Sn(30nm)/MgO(5nm)多層膜は、ベース圧力が2×10-8Paの超高真空下で分子線エピタキシー(MBE)法によってMgO(110)基板上に作製される。W(7nm)層は、300℃で0.1Å/sの速度で堆積され、その後、800℃で10分間アニールされる。Mn3Sn(30nm)層は、MnとSnとの共蒸着により0.25Å/sの速度で作製される。最初に、Mn3Sn(5nm)層が室温で堆積され、その後、400℃でアニールされる。次いで、追加のMn3Sn(25nm)層が約260℃で堆積される。
ここで、in-situの反射高速電子回折(RHEED)の画像から、鮮明な縞のパターンを観測することができる。これは、この作製プロセスでW層及びMn3Sn層がエピタキシャル成長していることを示している。
その後、MgO層が室温で0.1Å/sの速度で作製される。最後に、MgO(110)基板/W(7nm)/Mn3Sn(30nm)/MgO(5nm)多層膜が、650℃で30分アニールされる。なお、MBE法の代わりにスパッタ法においても、同様の焼成プロセスを用いることで、MBE法で作製された多層膜と同様の特性を持つ多層膜を作製することができる。
次に、図2を参照して、反強磁性層14を構成する反強磁性体金属の一例として、Mn3Snの特性について説明する。
Mn3Snは、三角形をベースとしたカゴメ格子と呼ばれる結晶構造をとる反強磁性体であり、図2に示すように、カゴメ格子が[0001]方向に積層した構造を有する。カゴメ格子の頂点に位置するMnは、幾何学的フラストレーションにより、420K以下の温度で、磁気モーメント(局在スピンの向き)が互いに120度傾いた非共線的な(non-collinear)磁気構造を示す。二層のカゴメ格子上に配置された3種類の6つのスピンのユニットは、六角形で示されるクラスター磁気八極子と呼ばれるスピン秩序を形成している。この非共線的な磁気構造は、クラスター磁気八極子の強磁性秩序とみなすことができる。この強磁性秩序は時間反転対称性を巨視的に破っている。
クラスター磁気八極子が、トポロジカルな電子構造であるワイル点(Weyl points)や運動量空間における仮想磁場(実空間換算で100~1000テスラ(T)に相当)の向きと対応しており、クラスター磁気八極子の向きによってワイル点と仮想磁場に由来した応答を制御することができる。
図2に示すような磁気構造は、斜方晶の対称性を有し、三角形の頂点に位置するMnの3つの磁気モーメントのうちの1つのみが磁化容易軸に平行となる。他の2つの磁気モーメントが磁化容易軸に対してキャントしていることから、弱い強磁性モーメントを誘起すると考えられる。このように、磁気モーメントがキャントして微小な磁化を有する反強磁性体は、キャントした反強磁性体(canted antiferromagnet)と呼ばれる。
Mn3Snの結晶配向は、磁気メモリ素子の読み出し信号の増強に重要な役割を果たしている。例えば、後述の異常ホール効果の測定では、クラスター磁気八極子の磁気秩序が面直方向(基板10の表面に垂直)の成分を有する結晶粒のみがホール電圧に寄与する。
上述のようにMgO基板上にW/Mn3Sn層を作製すると、図3に示すように、Mn3Sn層に[2-1-10]方向(面内方向)の引っ張り歪εが生じる。この場合、クラスター磁気八極子の磁気秩序は面直方向を向く。これにより、カゴメ層上の二値状態(上向き、下向き)が定まる(図6B参照)。
Mn3Sn層の結晶構造を調べるため、X線回折を用いる。図4Aに、MgO(110)基板/W(7nm)/Mn3Sn(30nm)/MgO(5nm)試料及びMgO(110)基板に対する2θ/ωスキャンのX線回折パターンを示す。ここで、MgO(110)基板/W(7nm)/Mn3Sn(30nm)/MgO(5nm)試料については、多層膜を全層成膜後にアニールする際の温度TAが650℃、700℃である場合のX線回折パターンを示している。また、図4Aの下部のパネルには、D019型Mn3Sn及びα‐Wの理論上のスペクトルを示す。また、図4Bに、Mn3Sn層の{02-21}面、W層の{110}面、及びMgO基板の{200}面に対するφスキャンのX線回折パターンを示す。
図4AのX線スペクトルにより、W層は(211)にピークを有し、Mn3Sn層は(01-10)、(02-20)、及び(04-40)にメインピークを有していることがわかり、Mn3Sn層が六方晶のD019構造を有することを裏付けている。また、図4Aに示すように、Mn3Sn層は、TA=650℃で(0002)及び(02-21)にマイナーピークを有しているが、TA=700℃では、これらのマイナーピークが消えることがわかる。
図4BのX線スペクトルにより、W層の{110}ピークとMn3Sn層の{021}ピークは、MgO基板の{200}ピークから90度ずれているように見える。これらの結果は、Mn3Sn層が、MgO(110)[001]||W(211)[01-1]||Mn3Sn(01-10)[0001]のように選択的に配向していることを示している。すなわち、図3に示すように、クラスター磁気八極子が閉じ込められたカゴメ面が膜面に垂直であることを裏付けている。
図5に、MBE成長膜におけるMn3Sn層の原子配列を示す。Mn3Sn層の(02-20)面、(20-20)面、及び(-2200)面に対するX線回折により、六角形を構成する各三角形における原子間距離d1及びd2と、角度θ12とを実験的に求めることができる。他の原子間距離d3及び[2-1-10]方向(x方向)に平行な長さdinは、d1、d2、θ12から求めることができる。
バルクMn3Snの場合、格子定数がa=5.665Å、c=4.531Åであることが知られており、d1=4.903Å、d2=4.909Å、d3=4.906Å、din=4.251Å、θ12=60.0°である。一方、MBE成長膜におけるMn3Sn層では、d1=4.904Å、d2=4.916Å、d3=4.939Å、din=4.261Å、θ12=60.4°となる。バルクMn3Snと比べると、MBE成長膜におけるMn3Sn層は、d1はほとんど同じであるが、d2が長くなり、θ12が大きくなっており、dinが4.251Åから4.261Åに増加している。これは、[2-1-10]方向(x方向)に約0.2%の引っ張り歪(エピタキシャル歪)εが存在することを示している。図4Cに示すMn3Sn層の断面透過型電子顕微鏡(TEM)画像からも、同様の歪の存在を評価することができる。図4Cにおいて、菱形はMn3Snのユニットセルを表している。
Mn3Sn層に歪がないとき(ε=0)、図6Aに示すように、カゴメ層上のスピン構造は、クラスター磁気八極子の磁気秩序が6個の等価な{2-1-10}に沿って向いた6個の縮退した状態をとる。一方、Mn3Sn層に面内方向のエピタキシャルの一軸性の引っ張り歪(ε>0)が存在するとき、図6Bに示すように、クラスター磁気八極子の磁気秩序は、面直方向に沿って向き、[01-10]方向に平行な状態(上向き)と反平行な状態(下向き)の二値状態をとる。これにより、二値のデータ(“0”及び“1”)を表すことができる。
次に、図7、図8A、図8Bを参照して、磁気メモリ素子100の異常ホール効果、書き込み及び読み出し動作について説明する。
図7に、ホールバー構造の磁気メモリ素子100の構成を示す。磁気メモリ素子100の試料の長手方向(x方向)の両端部には、Au/Tiからなる電極16a及び16bが配置され、短手方向(y方向)にはAu/Tiからなる電極18a及び18bが配置されている。電極16aと電極16bとの間に書き込み電流Iwrite又は読み出し電流Ireadが流れ、電極18aと電極18bとの間でホール電圧VHが検出される。
磁気メモリ素子100にデータを書き込むとき、スピンホール層12に書き込み電流Iwrite(パルス電流)を長手方向(x方向)に流す。これにより、スピンホール効果によって面直方向(z方向)にスピン流が発生し、SOTが反強磁性層14の磁化に働くことによって、磁化が反転される。このとき、x方向に弱いバイアス磁場Hxを印加することで、反強磁性層14の磁化がバイアス磁場Hxの影響を受け、磁化の旋回方向が定まる。
このようにして、反強磁性層14にデータ(“0”又は“1”)を書き込むことができる。書き込み電流Iwriteの向きによって、反強磁性層14の磁化方向を制御することができる。例えば、+x方向の書き込み電流Iwriteを流すと、磁化は+z方向(“1”)から-z方向(“0”)に反転し、-x方向の書き込み電流Iwriteを流すと、磁化は-z方向(“0”)から+z方向(“1”)に反転する。
反強磁性層14に記憶されたデータを読み出すときは、反強磁性層14に読み出し電流Iread(直流)をx方向に流す。これにより、異常ホール効果によってy方向にホール電圧VHが生じる。ホール電圧VHの符号は、反強磁性層14の磁化のz成分によって決まる。例えば、反強磁性層14の磁化が+z方向を向いているときは“1”に対応し、-z方向を向いているときは“0”に対応する。
次に、図8A及び図8Bを参照して、磁気メモリ素子100に対する異常ホール効果の測定結果を説明する。ここで、測定に用いた磁気メモリ素子100の多層膜は、MgO基板上のW(7nm)/Mn3Sn(30nm)である。
図8Aに、室温での垂直磁場H(z方向の磁場)に対するホール電圧VHの変化を示す。図8Aに示すように、ホール電圧VHの明らかなヒステリシスが観測されている。磁場Hを負から正へ掃引するときのホール電圧VHと、磁場Hを正から負へ掃引するときのホール電圧VHとのゼロ磁場での差(ホール電圧変化)ΔVH
fieldは約40μVである。
図8Bに、W(7nm)/Mn3Sn(30nm)多層膜に対し、x方向に0.1Tのバイアス磁場μ0Hを印加したときの、室温での書き込み電流Iwriteに対するホール電圧VHの変化を示す。ここで、ホール電圧VHを測定するために、書き込み電流Iwriteを印加した後に読み出し電流Ireadを印加している。図8Bに示すように、明らかなヒステリシスが観測され、閾値を超えた書き込み電流Iwriteによるホール電圧VHの飛びは、クラスター磁気八極子の磁気秩序の反転(磁化反転)に対応する。
書き込み電流Iwriteを負から正へ掃引するときのホール電圧VHと、書き込み電流Iwriteを正から負へ掃引するときのホール電圧VHとの差(ホール電圧変化)をΔVH
currentと表記する。比ΔVH
current/|ΔVH
field|は、反転可能な全磁区に対して実際に反転した磁区の割合(反転割合)を示している。図8Bにおいても、ΔVH
currentは約40μVであることから、ΔVH
current/|ΔVH
field|は1(すなわち、反転割合が100%)となる。これは、30nmのMn3Sn層において、垂直磁場で反転可能な磁区が全て、書き込み電流Iwriteによって反転可能であることを示している。
図8A及び図8Bの結果は、Mn3Sn層において、面内方向のエピタキシャル歪によって垂直磁気異方性が効果を発揮していることを示している。これは以下の第2実施形態で示すピエゾ磁気効果による磁気異方性の制御によるものと考えることができる。これにより、反強磁性状態の安定した二値状態を得ることができ、磁気メモリ素子100を微小化しても信号のばらつきがなくなり、動作の信頼性を向上させることができる。
上述の実験では、MgO基板を用いてMn3Sn層に約0.2%のエピタキシャル歪を加えることができた。エピタキシャル歪は通常数%まで引き上げ可能であることが知られている。このように、エピタキシャル歪によって、反強磁性層14の磁化の反転速度を1ps~10ps(10GHz~1THz)程度まで増加させることが可能である。
以上のように、第1実施形態に係る磁気メモリ素子によれば、反強磁性層の面内方向にエピタキシャル歪があると、歪方向に垂直な方向に反強磁性状態を特徴づけるクラスター磁気八極子の磁気秩序が向き、二値状態を定めることができる。よって、反強磁性体を用いた磁気メモリ素子により、高速の書き込み及び読み出し動作が可能になる。
<第2実施形態>
図9~図15Bを参照して、本発明の第2実施形態を説明する。
図9~図15Bを参照して、本発明の第2実施形態を説明する。
第2実施形態では、ピエゾ磁気効果に基づく反強磁性層の磁気異方性の制御について説明する。従来、ピエゾ磁気効果の研究は、主に極低温で反強磁性の絶縁体に限定されていたが、本願発明者らは、以下のように、室温以上で反強磁性体金属のピエゾ磁気効果を発見することができた。
第2実施形態に係る磁気メモリ素子も、第1実施形態に係る磁気メモリ素子100(図1)と同様の構成を有し、磁気メモリ素子を構成する多層膜の物質も、第1実施形態と同様である。第2実施形態においても、反強磁性体金属の一例としてMn3Snを挙げて説明する。
磁気メモリ素子に外部から一軸歪を印加すると、反強磁性層でのピエゾ磁気効果により、磁気異方性を制御することができる。図9の中央部に示すように、Mn3Sn層に歪がない状態では、上述のように、微小な自発磁化MS(図9では[2-1-10]方向(+x方向))が存在する。磁気メモリ素子の試料に一軸応力が印加されると、最近接交換相互作用が異方的となる。例えば、図9の左図に示すように、ゼロ磁場で水平方向(x方向)の圧縮下では、水平方向の結合距離が短くなり、これらの結合間の交換相互作用が増加し、水平方向で結合されたスピンが回転し、y方向に沿ってほぼ反平行になる。これにより、自発磁化MSの+x成分が増加する。反対に、ゼロ磁場で水平方向の引っ張り歪の下では、図9の右図に示すように、自発磁化MSの-x成分が増加する。
次に、圧縮方向の異なる2つの試料M1及びM2に対する磁化測定について説明する。試料M1及びM2は、両方ともMn3Snからなる単結晶であり、図10に示すように、試料M1はx方向の一軸応力σxxが両側から印加された試料であり、試料M2はy方向の一軸応力σyyが上下から印加された試料である。また、試料M1及びM2には、それぞれ、[2-1-10]方向(+x方向)の磁場Hx、[01-10]方向(+y方向)の磁場Hyが印加される。これらの試料には、例えば、以下の非特許文献に記載されたピストンシリンダー型圧力セルを用いて一軸応力が印加される。
Kittaka, S., Taniguchi, H., Yonezawa, S., Yaguchi, H. & Maeno, Y. “Higher-Tc superconducting phase in Sr2RuO4 induced by uniaxial pressure” Phys. Rev. B 81, 180510 (2010)
Kittaka, S., Taniguchi, H., Yonezawa, S., Yaguchi, H. & Maeno, Y. “Higher-Tc superconducting phase in Sr2RuO4 induced by uniaxial pressure” Phys. Rev. B 81, 180510 (2010)
以下では、負の歪は圧縮歪を示し、正の歪は引っ張り歪を示すものとする。図11に、試料M1について300K(室温)でσxx=0MPa、-107MPa、及び-270MPaの下での磁化Mの磁場依存性と、試料M2について300K(室温)でσyy=0MPa、-48MPa、-101MPaの下での磁化Mの磁場依存性を示す。図12に、試料M1について様々な一軸応力(σxx=0~-270MPa)におけるμ0Hx=1Tの磁場下での磁化Mの温度依存性と、試料M2について様々な一軸応力(σyy=0~-101MPa)におけるμ0Hy=1Tの磁場下での磁化Mの温度依存性を示す。図13に、試料M1及びM2について、300Kでの自発磁化MS及び磁化率χの一軸応力依存性を示す。図13において、試料M2については、x方向の応力及び磁場Hxを印加したデータ(黒丸)とy方向の応力及び磁場Hyを印加したデータ(白丸)とを示している。
図11より、ゼロ応力(σxx=0)では、試料M1のMSは3.6mμB/f.u.であり、保磁力は0.03Tと非常に小さい。一方、σxx=-270MPaの下で試料M1のMSは10.7mμB/f.u.となり、約3倍の増加を示している。試料M1も試料M2も、低磁場領域を除き、磁化Mが磁場に対して線形増加しており、その傾きは磁化率χを表している。図11の各グラフの点線は、正の磁場領域での線形近似式を示し、M(H)=MS+χ・Hで表される。ここで、試料M1については、χ=μ0
-1(∂M/∂Hx)=14.3mμB/f.u.T-1、試料M2については、χ=μ0
-1(∂M/∂Hy)=13.5mμB/f.u.T-1である。図11から明らかなように、ヒステリシス曲線の形状と磁化率χは、応力に対して変化しないことがわかる。これは、降伏応力未満では各試料の質が低下せず、磁化Mが単磁区の磁化であることを示している。
図12より、試料M1も試料M2も、不整合転移温度TH(=270K~280K)を超える温度で、磁化Mが応力の増加とともに大きくなることがわかる。
図13の上のグラフより、MSの応力依存性は、試料M1も試料M2も線形であり、試料M2についてはxy面でほとんど等方的であることがわかる。線形近似式(点線)から、引っ張り応力の領域(σ>0)において、MSがゼロとなる臨界応力σcが約120MPaになると推測される。また、図13の下のグラフより、磁化率χは応力によらず一定であることもわかる。なお、各試料は、300MPaを超える応力の印加により破砕する。
次に、歪方向が異なる2つの試料H1及びH2の異常ホール効果について説明する。図14に示すように、試料H1及びH2は、両方ともMn3Snからなる単結晶の反強磁性層20の試料であり、試料H1には、x方向、y方向に、それぞれ、歪εxx、磁場Hyが印加され、試料H2には、y方向、x方向に、それぞれ、歪εyy、磁場Hxが印加される。様々な歪の下での異常ホール効果の測定には、以下の非特許文献に記載されたピエゾ式の歪デバイスを用いている。
Hicks, C. W., Barber, M. E., Edkins, S. D., Brodsky, D. O. & Mackenzie, A. P. “Piezoelectric-based apparatus for strain tuning” Rev. Sci. Instrum. 85, 065003 (2014)
Hicks, C. W., Barber, M. E., Edkins, S. D., Brodsky, D. O. & Mackenzie, A. P. “Piezoelectric-based apparatus for strain tuning” Rev. Sci. Instrum. 85, 065003 (2014)
試料H1及びH2には歪方向に沿って電流Iが流れ、面内で電流Iに垂直なホール電圧VHが測定される。反強磁性層20の厚み(面直方向の長さ)をt、ホール抵抗率をρとすると、VH=ρ・I/tである。
図15Aに、試料H1について様々な歪εxxにおける300Kでのホール抵抗率ρzxの磁場依存性を示す。図15Bに、試料H2について様々な歪εyyにおける300Kでのホール抵抗率ρzyの磁場依存性を示す。図15Aより、歪がない場合(εxx=0%)、ホール抵抗率ρzxは鋭いヒステリシス曲線を示しており、ゼロ磁場でのホール抵抗率はρzx(Hy=0)=-3.85μΩcmとなり、保磁力は約0.04Tである。εxx=0.194%の引っ張り歪の下では、ヒステリシス曲線の形状は維持されており、ρzx(Hy=0)=-4.2μΩcmとなり、歪がない場合に比べてホール抵抗率の大きさが約10%増加していることがわかる。圧縮歪(εxx<0%)の場合、ρzx(Hy=0)は圧縮が大きくなるにつれて徐々に小さくなり、εxx<-0.2%ではゼロになる。εxx<-0.06%では、ρzxが磁場に対して線形の領域がある。εxx=-0.21%では、ρzxは、傾きμ0
-1(∂ρzx/∂Hy)が約1μΩcmT-1で増加し、μ0Hy=+3.8Tで正の飽和値ρzx=+4μΩcmに達する。図15Bに示すように、試料H2のホール抵抗率ρzyは、試料H1とほぼ同様の振る舞いをする。
以上のように、クラスター磁気八極子の磁気秩序が圧縮歪を印加した方向を向くため、異常ホール効果や磁気抵抗効果(後述)で読み出す信号を圧縮歪の印加方向に増大させることができる。このように、圧縮歪の印加により、磁化の大きさや、異常ホール効果、磁気抵抗効果を制御することができる。これにより、反強磁性体を用いた磁気メモリ素子による高速の書き込み及び読み出し動作を可能とする。
なお、第1及び第2実施形態で説明した反強磁性層は、単結晶膜でも多結晶膜でもよい。以下の第3実施形態における自由層(反強磁性層)においても同様である。
<第3実施形態>
図16~図19を参照して、本発明の第3実施形態を説明する。第3実施形態では、磁気抵抗素子を備える磁気メモリ素子を対象とする。
図16~図19を参照して、本発明の第3実施形態を説明する。第3実施形態では、磁気抵抗素子を備える磁気メモリ素子を対象とする。
図16に示すように、磁気抵抗素子30は、磁化が反転可能な自由層32と、自由層32に接触する非磁性層34と、非磁性層34に接触し、磁化が面内又は面直方向に固定された参照層36とを備える。非磁性層34は絶縁体(例えば、MgO、AlOx、MgAl2O4)からなる。自由層32及び参照層36は、両方とも図1の反強磁性層14と同一の反強磁性体金属からなる薄膜であるが、参照層36は自由層32よりも保磁力が大きい。自由層32は、第1実施形態又は第2実施形態に記載した一軸歪(エピタキシャル歪又は圧縮歪)を有するのが好ましい。磁気抵抗素子30は磁気トンネル接合(MTJ)素子として機能する。
磁気抵抗素子30には、抵抗状態に応じて“0”及び“1”のデータが割り当てられる。例えば、自由層32及び参照層36がMn3Snからなる場合、図17に示すように、参照層36のクラスター磁気八極子の磁気秩序と自由層32のクラスター磁気八極子の磁気秩序が同じ向きのとき(平行状態)、磁気抵抗素子30は低抵抗状態にあり、互いに逆向きのとき(反平行状態)、磁気抵抗素子30は高抵抗状態にある。平行状態のデータを“0”、反平行状態のデータを“1”と割り当てることができる。なお、実験的に、磁気抵抗素子30は、平行状態のときに高抵抗状態、反平行状態のときに低抵抗状態になることもある。
強磁性層/非磁性層/強磁性層の磁気抵抗素子のトンネル磁気抵抗効果(TMR)は、強磁性体のスピン偏極に比例することが観測されている。一方、反強磁性層/非磁性層/反強磁性層の磁気抵抗素子では、通常、反強磁性体のスピン偏極が無視できるため、TMRは観測されない。例えば、反強磁性体であるMn3Snは、強磁性体である鉄(Fe)よりもスピン偏極率が3桁も小さい。
しかし、Mn3Sn/MgO/Mn3Sn多層膜では、正味のスピン偏極がなくても大きなTMRが観測されている。磁気抵抗素子の高抵抗状態のトンネル抵抗値をRH、低抵抗状態のトンネル抵抗値をRLと表記すると、TMR率(%)は{(RH-RL)/RH}×100(%)と定義される。Mn3Sn/MgO/Mn3Sn多層膜では約1%のTMR率が観測されており、Fe/MgO/Mn3Sn多層膜で観測されたTMR率よりも大きい。これは、Mn3Sn/MgO/Mn3Sn多層膜のTMRが、スピン偏極よりもクラスター磁気八極子の偏極の寄与の方が優勢であることを示している。なお、磁化が面内を向いている方が、TMR率が一層高くなると期待される。
第3実施形態に係る磁気メモリ素子は、磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM)素子として機能させることができる。以下、図18及び図19を参照して、MRAMの磁気メモリ素子を説明する。
図18に、SOT‐MRAMの磁気メモリ素子200の構成を示す。磁気メモリ素子200は、磁気抵抗素子210と、スピンホール層220と、第1端子231と、第2端子232と、第3端子233と、トランジスタTr1及びTr2とを備える。
スピンホール層220は、図1のスピンホール層12と同様に、スピンホール効果を示す非磁性重金属(W、Taなど)又はカルコゲナイド物質からなる。磁気抵抗素子210は、スピンホール層220上に積層され、磁化が反転可能な自由層212と、自由層212上に積層された非磁性層214と、非磁性層214上に積層され、磁化が面直方向に固定された参照層216とを備える。自由層212、非磁性層214、及び参照層216は、それぞれ、図16の自由層32、非磁性層34、及び参照層36と同じ物質からなる。
第1端子231、第2端子232、及び第3端子233は金属からなる。参照層216に第1端子231が接続され、スピンホール層220の一端部に第2端子232が接続され、スピンホール層220の他端部に第3端子233が接続されている。第1端子231はグランド線240に接続されている。グランド線240はグランド電圧に設定されている。なお、グランド線240をグランド電圧以外の基準電圧に設定してもよい。
トランジスタTr1及びTr2は、例えば、N-channel metal oxide semiconductor(NMOS)トランジスタである。第2端子232はトランジスタTr1のドレインに接続され、第3端子233はトランジスタTr2のドレインに接続されている。トランジスタTr1及びTr2のゲートはワード線WLに接続されている。トランジスタTr1のソースは第1ビット線BL1に接続され、トランジスタTr2のソースは第2ビット線BL2に接続されている。
自由層212及び参照層216の磁化が面直方向を向いている場合、磁気抵抗素子210にデータを書き込むとき、書き込み電流Iwriteの方向に弱いバイアス磁場を印加し、ワード線WLをハイレベルに設定してトランジスタTr1及びTr2をオンとし、第1ビット線BL1及び第2ビット線BL2の一方をハイレベルに設定し、他方をローレベルに設定する。これにより、第1ビット線BL1と第2ビット線BL2との間でスピンホール層220の面内方向に書き込み電流Iwriteが流れることでスピン流が発生し、SOTによって自由層212の磁化が反転され、データを書き込むことができる。書き込み電流Iwriteの向きによって書き込むデータを変えることができる。
磁気抵抗素子210に記憶されたデータを読み出すときは、ワード線WLをハイレベルに設定してトランジスタTr1及びTr2をオンとし、一方のビット線(第2ビット線BL2)をハイレベルに設定し、他方のビット線(第1ビット線BL1)を開放状態とする。これにより、ハイレベルの第2ビット線BL2から、第3端子233、スピンホール層220、自由層212、非磁性層214、参照層216、第1端子231、及びグランド線240へと読み出し電流Ireadが流れる。磁気抵抗効果によって読み出し電流Ireadの大きさを計測することで、磁気抵抗素子210の抵抗状態、すなわち、記憶されたデータを判別することができる。
図19に、スピントランスファトルク(STT)を用いて磁化を反転させるMRAM(STT‐MRAM)の磁気メモリ素子300の構成を示す。磁気メモリ素子300は、磁気抵抗素子310と、第1端子321と、第2端子322と、トランジスタTrとを備える。
磁気抵抗素子310は、磁化が面直方向に固定された参照層316と、参照層316上に積層された非磁性層314と、非磁性層314上に積層され、磁化が反転可能な自由層312とを備える。自由層312、非磁性層314、及び参照層316は、それぞれ、図16の自由層32、非磁性層34、及び参照層36と同じ物質からなる。
第1端子321及び第2端子322は金属からなる。自由層312は第1端子321に接続され、参照層316は第2端子322に接続されている。第1端子321はビット線BLに接続され、第2端子322はトランジスタTrに接続されている。
トランジスタTrは、例えば、NMOSトランジスタである。トランジスタTrのドレインに第2端子322が接続され、ソースにソース線SLが接続され、ゲートにワード線WLが接続されている。
磁気抵抗素子310にデータを書き込むとき、ワード線WLをハイレベルに設定してトランジスタTrをオンとし、ビット線BLとソース線SLとの間に面直方向の書き込み電流Iwriteを流す。これにより、STTによって自由層312の磁化が反転され、データを書き込むことができる。書き込み電流Iwriteの向きによって書き込むデータを変えることができる。
磁気抵抗素子310に記憶されたデータを読み出すときは、ワード線WLをハイレベルに設定してトランジスタTrをオンとし、ビット線BLとソース線SLとの間に読み出し電流Ireadを流す。磁気抵抗効果によって読み出し電流Ireadの大きさを計測することで、磁気抵抗素子310の抵抗状態、すなわち、記憶されたデータを判別することができる。
なお、図16、図18及び図19では、磁気抵抗素子30、210、及び310がMTJ素子である例を示したが、巨大磁気抵抗効果(GMR)素子として機能させることもできる。この場合、非磁性層34、214、及び314は金属(導体)からなる。また、第3実施形態では、図18の参照層216、図19の参照層316が反強磁性体金属からなるものとしたが、これらの参照層を強磁性体(例えば、CoFeB)からなる強磁性層としてもよい。また、図18において、自由層212としての反強磁性層に、非常に薄い2nm以下の強磁性体(例えば、CoFeB)からなる強磁性層を積層し、[反強磁性層/強磁性層](自由層)/非磁性層/強磁性層(参照層)からなる磁気抵抗素子を採用してもよい。この積層構造を上下逆にして、図19において、強磁性層(参照層)/非磁性層/[強磁性層/反強磁性層(自由層)]からなる磁気抵抗素子を採用してもよい。このように、反強磁性層と非常に薄い強磁性層が磁気的に結合すると、反強磁性体なみの高速制御ができるとともに、強磁性体のスピン偏極を使うことができるので、高速メモリを期待することができる。
また、図18において、複数の磁気メモリ素子200をマトリクス状に配列した磁気メモリ装置を構成してもよい。同様に、図19においても、複数の磁気メモリ素子300をマトリクス状に配列した磁気メモリ装置を構成するようにしてもよい。さらに、このような磁気メモリ装置を備えたコンピュータシステム又は情報処理システムを構成するようにしてもよい。
本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変形が可能である。
10 基板
12、220 スピンホール層
14、20 反強磁性層
100、200、300 磁気メモリ素子
16a、16b、18a、18b 電極
30、210、310 磁気抵抗素子
32、212、312 自由層
34、214、314 非磁性層
36、216、316 参照層
12、220 スピンホール層
14、20 反強磁性層
100、200、300 磁気メモリ素子
16a、16b、18a、18b 電極
30、210、310 磁気抵抗素子
32、212、312 自由層
34、214、314 非磁性層
36、216、316 参照層
Claims (16)
- 一軸歪を有し、マンガンを含む反強磁性体金属からなり、スピントルクによって前記反強磁性体金属の磁気秩序が制御可能な反強磁性層を備える、磁気メモリ素子。
- 前記反強磁性層は、前記一軸歪として引っ張り歪を有する、請求項1に記載の磁気メモリ素子。
- 前記反強磁性層は、前記一軸歪として圧縮歪を有する、請求項1に記載の磁気メモリ素子。
- 前記反強磁性層はエピタキシャル膜である、請求項1に記載の磁気メモリ素子。
- 前記反強磁性体金属は異常ホール効果を示す、請求項1に記載の磁気メモリ素子。
- 前記反強磁性体金属はクラスター磁気八極子のスピン秩序を有する、請求項1に記載の磁気メモリ素子。
- 前記反強磁性層は、前記一軸歪として面内方向の引っ張り歪を有し、前記引っ張り歪の方向に垂直な方向に前記クラスター磁気八極子の前記磁気秩序が向いている、請求項6に記載の磁気メモリ素子。
- 前記反強磁性層は、前記一軸歪として圧縮歪を有し、前記圧縮歪の方向に前記クラスター磁気八極子の前記磁気秩序が向いている、請求項6に記載の磁気メモリ素子。
- 前記反強磁性層に接触し、スピンホール効果を示す物質からなり、面内方向に書き込み電流が流れるとスピン流が発生するスピンホール層をさらに備え、
前記反強磁性層では、前記スピン流によって生じたスピン軌道トルクが前記磁気秩序に働くことによって前記磁気秩序が反転可能である、請求項1~8の何れか1項に記載の磁気メモリ素子。 - スピンホール効果を示す物質からなり、面内方向に書き込み電流が流れるとスピン流が発生するスピンホール層と、
前記スピンホール層に積層され、一軸歪を有し、マンガンを含む反強磁性体金属を含み、前記スピン流によって生じたスピン軌道トルクによって前記反強磁性体金属の磁気秩序が反転可能な自由層と、
前記自由層に積層された非磁性層と、
前記非磁性層に積層され、強磁性体金属又はマンガンを含む反強磁性体金属からなり、前記強磁性体金属又は前記反強磁性体金属の磁気秩序が固定された参照層と、
を備える、磁気メモリ素子。 - 強磁性体金属又はマンガンを含む反強磁性体金属からなり、前記強磁性体金属又は前記反強磁性体金属の磁気秩序が固定された参照層と、
前記参照層上に積層された非磁性層と、
前記非磁性層上に積層され、一軸歪を有し、マンガンを含む反強磁性体金属を含み、面直方向に書き込み電流が流れると、スピントランスファトルクによって前記反強磁性体金属の磁気秩序が反転可能な自由層と、
を備える、磁気メモリ素子。 - 請求項1~8の何れか1項に記載の磁気メモリ素子を備えた情報処理システム。
- 請求項1~8の何れか1項に記載の磁気メモリ素子を複数有し、マトリクス状に配列した磁気メモリ装置を備えた情報処理システム。
- 一軸歪を有し、マンガンを含む反強磁性体金属からなる反強磁性層を備える磁気メモリ素子の制御方法であって、
スピントルクによって前記反強磁性体金属の磁気秩序を制御する、磁気メモリ素子の制御方法。 - スピンホール効果を示す物質からなるスピンホール層と、前記スピンホール層に積層され、一軸歪を有し、マンガンを含む反強磁性体金属を含む自由層と、前記自由層に積層された非磁性層と、前記非磁性層に積層され、強磁性体金属又はマンガンを含む反強磁性体金属からなり、前記強磁性体金属又は前記反強磁性体金属の磁気秩序が固定された参照層とを備える磁気メモリ素子の制御方法であって、
前記スピンホール層において面内方向に書き込み電流を流すことによりスピン流を発生するステップと、
前記スピン流によって生じたスピン軌道トルクによって前記自由層の前記反強磁性体金属の磁気秩序を反転するステップと、
を有する、磁気メモリ素子の制御方法。 - 強磁性体金属又はマンガンを含む反強磁性体金属からなり、前記強磁性体金属又は前記反強磁性体金属の磁気秩序が固定された参照層と、前記参照層上に積層された非磁性層と、前記非磁性層上に積層され、一軸歪を有し、マンガンを含む反強磁性体金属を含む自由層とを備える磁気メモリ素子の制御方法であって、
前記磁気メモリ素子の面直方向に書き込み電流を流すことにより、スピントランスファトルクによって前記自由層の前記反強磁性体金属の磁気秩序を反転する、磁気メモリ素子の制御方法。
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WO2020166722A1 (ja) * | 2019-02-15 | 2020-08-20 | 国立大学法人東京大学 | スピントロニクス素子及び磁気メモリ装置 |
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