JP2001256773A - 磁気メモリセルのアクセス方法及び磁気メモリセル - Google Patents

磁気メモリセルのアクセス方法及び磁気メモリセル

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の磁気トンネル接合(MTJ)素子を用
いた磁気メモリではメモリ層となる強磁性層の磁化が面
内方向であるため、素子の微細化にともない両端部の磁
極による反磁界の影響が大きくなり、メモリ層の磁化が
不安定になる。 【解決手段】 閉磁路構造を有する磁気メモリセル11
の閉磁路内にビット線12を設け、磁気メモリセル11
上に絶縁層26を介してワード線13を直交配列する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は磁気メモリセルのア
クセス方法及び磁気メモリセルに関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、磁気トンネル接合(MTJ)素子
は、従来の異方性磁気抵抗効果(AMR)素子や巨大磁
気抵抗効果(GMR)素子に比べて大きな出力が得られ
ることから、HDD用再生ヘッドや磁気メモリへの応用
が考えられている。
【0003】特に、磁気メモリにおいては、半導体メモ
リと同じく稼動部の無い固体メモリであり、電源が断た
れても情報を失わない、繰り返し回数が無限回である、
放射線が入射しても記録内容が消失する危険性が無い
等、半導体メモリと比較して有用である。
【0004】従来のMTJ素子の構成例を図4に示す。
なお、このような構造はたとえば特開平9―10651
4号公報に示されている。
【0005】図4のMTJ素子は、反強磁性層41、強
磁性層42、絶縁層43、強磁性層44を積層したもの
である。強磁性層42及び強磁性層44の磁化はいずれ
も膜面内にあり、平行もしくは反平行となるように実効
的な一軸磁気異方性を有している。そして、強磁性層4
2の磁化は反強磁性層41との交換結合により実質的に
一方向に固定され、強磁性層44の磁化の方向で記録を
保持する。
【0006】反強磁性層41としてはFeMn、NiM
n、PtMn、IrMn等の合金が用いられ、強磁性層
42及び強磁性層44としてはFe、Co、Ni或はこ
れらの合金が用いられる。また、絶縁層43としては各
種の酸化物や窒化物が検討されているが、現在はAl2
3膜の場合に最も高い磁気抵抗(MR)比が得られる
ことが知られている。
【0007】また、この他に、反強磁性層41を除いた
構成で、強磁性層42と強磁性層44の保磁力差を利用
したMTJ素子の提案もなされている。
【0008】図4の構造のMTJ素子をランダムアクセ
ス可能な磁気メモリに用いた場合の概略図を図5に示
す。トランジスタ51は読み出し時にMTJ素子52を
選択する役割を有している。“0”、“1”の情報は図
4に示すMTJ素子の強磁性層44の磁化方向によって
記録されており、強磁性層42の磁化方向は固定されて
いる。そして、強磁性層42と強磁性層44の磁化が平
行の時は抵抗値が低く、反平行の時は抵抗値が高くなる
という磁気抵抗効果を利用して情報を読み出す。一方、
書込みは、ビット線53とワード線54が形成する合成
磁界によって強磁性層44の磁化の向きを反転すること
で実現される。なお、55はプレートラインである。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記構造の
MTJ素子では強磁性層42及び強磁性層44の磁化が
面内方向であるため、両端部には磁極が発生する。磁気
メモリの高密度化を図るにはMTJ素子を微細化する必
要があるが、素子の微細化にともない両端部の磁極によ
る反磁界の影響が大きくなる。
【0010】強磁性層42については反強磁性層41と
交換結合していることから、上記の反磁界の影響は少な
く、また、米国特許5841692号公報に開示されて
いるように、強磁性層42を反強磁性結合する二つの強
磁性層で構成することにより、端部に発生する磁極を実
質的にゼロにすることができる。
【0011】一方、メモリ層となる強磁性層44につい
ては同様の手法を取ることができないことから、パター
ンが微細化するに連れて端部磁極の影響により磁化が不
安定となり、記録の保持が困難となってしまう。
【0012】そこで、メモリ層となる強磁性層44を閉
磁路構造とすることで端部磁極の影響を低減することが
考えられる。この時、ビット線とワード線を両方ともこ
の閉磁路内を通る構成とすれば、書込み時に効率よく強
磁性層44の磁化を反転できる効果が得られるが、ビッ
ト線とワード線はMTJ素子部で同じ方向に配線される
ため、図5に示すような簡単な直交配列を取ることが困
難になる。閉磁路構造の例は特開平10−302456
号公報等に見られるが、その時の最適な磁気メモリセル
のアクセス方法については開示されていない。
【0013】本発明は上記課題を解決するために、メモ
リ層となる強磁性層44に閉磁路構造を導入しても、磁
気メモリのセル密度が低下しない磁気メモリセルのアク
セス方法を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】本発明の第1発明は、磁
気メモリセルの記憶を保持する磁性層上に閉磁路層を設
け、該磁性層と該閉磁路層とが構成する閉磁路内に第一
の電流線を配置し、該閉磁路外に第二の電流線を配置す
るとともに、該第一の電流線に該閉磁路層の磁化は反転
するが該磁性層の磁化は反転しない電流を流し、該二の
電流線に単独では該磁性層の磁化は反転しないが該ビッ
ト線との合成磁界は該磁性層の磁化を反転する電流を流
すことにより該磁性層の磁化方向を変えることを特徴と
する。
【0015】また、第2発明は、第1発明のアクセス方
法を用いる磁気メモリセルにおいて、前記磁気メモリセ
ルは少なくとも第1磁性層、絶縁層、第2磁性層を順に
積層した磁気トンネル接合素子からなり、且つ少なくと
も該第1又は第2磁性層の該磁性層の該絶縁層積層側と
異なる側に中央部を離間して前記閉磁路層を設け、第1
磁性層及び閉磁路層又は第2磁性層及び閉磁路層により
閉磁路が構成されていることを特徴とする。
【0016】更にまた、第3発明は、第1発明のアクセ
ス方法を用いる磁気メモリセルにおいて、前記磁気メモ
リセルは少なくとも第1磁性層、絶縁層、第2磁性層を
順に積層した磁気トンネル接合素子からなり、且つ少な
くとも該第1又は第2磁性層の該絶縁層積層側と異なる
側に、金属層を介するとともに中央部を離間して前記閉
磁路層を設け、第1磁性層及び閉磁路層又は第2磁性層
及び閉磁路層により閉磁路が構成されていることを特徴
とする。
【0017】
【発明の実施の形態】以下、図をもとに本発明の磁気メ
モリセルのアクセス方法及び磁気メモリセルについて詳
細に説明する。
【0018】本発明の実施例を図1に示す。磁気メモリ
セル11はビット線12とワード線13の交点に配置さ
れている。磁気メモリセル11は図面の縦方向に閉磁路
構造を有しており、磁化も同じ方向を向いている。図1
のAB断面図を図2に示す。簡単化のために一個の磁気
メモリセルのみを示している。
【0019】図2に示すように、磁気メモリセル11は
反強磁性層21、強磁性層22、絶縁層23、強磁性層
24からなるMTJ素子上に閉磁路層25が設けられて
いる。そして、反強磁性層21と強磁性層22は交換結
合している。また、強磁性層24と閉磁路層25は両端
部で接合し、中央部では離間している。この中央離間部
にビット線12が設けられ、MTJ素子と電気的に接続
し、また、ワード線13は磁気メモリセル11上に絶縁
層26を介して設けられている。
【0020】従って、MTJ素子の片側はビット線12
と電気的に接続しており、もう一方は図示されていない
選択トランジスタのコレクタに接続されている。また、
ワード線はMTJ素子とは電気的に絶縁されており、図
示されていない選択トランジスタのゲートに接続されて
いる。その結果、図5に示すランダムアクセスの可能な
レイアウトが構成されている。
【0021】磁気メモリセルの情報は強磁性層24の磁
化方向で記憶される。一方、強磁性層22の磁化方向は
反強磁性層21との交換結合で固定されている。従っ
て、強磁性層22と強磁性層24の磁化方向が平行、反
平行でMTJ素子の抵抗が変化することを利用して、磁
気メモリセルに記憶された情報即ち強磁性層の磁化方向
を検出する。
【0022】磁気メモリセルの情報の書換えはビット線
12とワード線13に電流を流し、強磁性層24の磁化
方向を変えることで実現される。この時、電流を流すビ
ット線12とワード線13の交点にある磁気メモリセル
11以外の磁気メモリセルの強磁性層12は磁化方向が
変わらないことが必要である。これは、以下のようにし
て実現できる。
【0023】強磁性層24は情報を保持でき、しかも記
録電流で書換えが可能な程度の保磁力を有している。一
方、閉磁路層25は、強磁性層24に比して保磁力が小
さい材料で構成されている。磁気メモリセル11の情報
を書換える場合には、閉磁路層25の磁化は反転する
が、強磁性層24の磁化は反転しない大きさの電流をビ
ット線12に流す。更に、ビット線12との合成磁界は
強磁性層24の磁化を反転するが、単独では反転できな
い大きさの電流をワード線13に流す。この時、ビット
線12上にある磁気メモリセル11以外のセルにはワー
ド線13からの磁界は印加されないため、強磁性層24
の磁化方向は変化しない。一方、ワード線13上にある
磁気メモリセル11以外のセルにはビット線12からの
磁界は印加されないため、強磁性層24の磁化方向は変
化しない。
【0024】上記のように、強磁性層24及び閉磁路層
25の磁気特性と、ビット線12及びワード線13に流
す電流の大きさを制御することにより、ビット線12と
ワード線13の交点にある磁気メモリセル11の磁化方
向のみを変えることができる。
【0025】本実施例によれば、ビット線12は強磁性
層24と閉磁路層25とで構成する閉磁路構造内に有る
ことから、十分低い電流で閉磁路層25の磁化を反転さ
せることができ、強磁性層24に有効に磁界を印可する
ことができる。一方、ワード線13もまた絶縁層を介し
て閉磁路層25に近接して設けられているので、閉磁路
層25を通じて強磁性層24に有効に磁界を印可するこ
とができる。従って、図4に示す従来の構造に比して、
十分に低い電流で磁気メモリセル11の磁化方向を変え
ることができる。従って、閉磁路層25を高透磁率材料
で構成すれば記録電流の低減化に有効である。
【0026】図1に示す磁気メモリセル11の他の構成
例を図3に示す。図2との相違は強磁性層24と閉磁路
層25が金属層27を介して接合していることである。
この金属層27の膜厚は、強磁性層24と閉磁路層25
とが反強磁性結合するように設定されている。従って、
磁気メモリセル11の情報の書換えが上記と同様に行わ
れた際、磁気メモリセル11以外の書換えが行われなか
ったセルにおいて、強磁性層24と閉磁路層25の磁化
は、金属層27を介した反強磁性結合により、確実に閉
磁路を構成するようになる。
【0027】上記の実施例においては、閉磁路構造を有
する磁気メモリセルとして、MTJ素子を用いた二つの
例を示したが、その他の閉磁路構造を有する磁気メモリ
セルを用いることも可能である。また、上記の実施例に
おいては、ワード線はビット線の上に設けられていた
が、MTJ素子の下に設けることも可能である。また、
ビット線をMTJ素子から絶縁する、或いは、ビット線
とワード線を入れ替える、或いは、記録用と読み出し用
にビット線もしくはワード線を別個に設ける等も可能で
あり、本発明はビット線とワード線及び閉磁路構造につ
いて上記の実施例に制限されるものでないことは明らか
である。
【0028】
【発明の効果】以上のように、本発明の磁気メモリセル
のアクセス方法によれば、強磁性層及び閉磁路層の磁気
特性と、ビット線及びワード線に流す電流の大きさを制
御することにより、単一の磁気メモリセルのみをアクセ
スできるとともに記録電流を低減することができる。ま
た、磁気メモリセルの端部磁極の影響を低減できること
から、パターンが微細化されても安定した磁化状態を保
持することができるとともに、より高い集積度の磁気メ
モリを実現することができる。また、メモリ層となる強
磁性層が閉磁路構造を取ることから、外部漏洩磁界に対
して安定となる。更にまた、本発明により磁気メモリの
消費電力を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例を示す図である。
【図2】本発明の実施例にある磁気メモリセルの断面図
である。
【図3】本発明の実施例にある磁気メモリセルの他の断
面図である。
【図4】従来のMTJ素子の構成を示す図である。
【図5】従来の磁気メモリの概略図である。
【符号の説明】
11 磁気メモリセル 12 ビット線 13 ワード線 21、41 反強磁性層 22、24、42、44 強磁性層 23、43 絶縁層 25 閉磁路層 26 絶縁層 27 金属層 51 トランジスタ 52 MTJ素子 53 ビット線 54 ワード線 55 プレートライン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 林 秀和 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 Fターム(参考) 5D091 CC05 CC26 HH20 5F083 FZ10 GA11 KA01 KA05

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 磁気メモリセルの記憶を保持する磁性層
    上に閉磁路層を設け、該磁性層と該閉磁路層とが構成す
    る閉磁路内に第一の電流線を配置し、該閉磁路外に第二
    の電流線を配置するとともに、該第一の電流線に該閉磁
    路層の磁化は反転するが該磁性層の磁化は反転しない電
    流を流し、該第二の電流線に単独では該磁性層の磁化は
    反転しないが該第一の電流線との合成磁界は該磁性層の
    磁化を反転する電流を流すことにより、該磁性層の磁化
    方向を変えることを特徴とする磁気メモリセルのアクセ
    ス方法。
  2. 【請求項2】 請求項1記載のアクセス方法を用いる磁
    気メモリセルにおいて、前記磁気メモリセルは少なくと
    も第1磁性層、絶縁層、第2磁性層を順に積層した磁気
    トンネル接合素子からなり、且つ少なくとも該第1又は
    第2磁性層の該磁性層の該絶縁層積層側と異なる側に中
    央部を離間して前記閉磁路層を設け、第1磁性層及び閉
    磁路層又は第2磁性層及び閉磁路層により閉磁路が構成
    されていることを特徴とする磁気メモリセル。
  3. 【請求項3】 請求項1記載のアクセス方法を用いる磁
    気メモリセルにおいて、前記磁気メモリセルは少なくと
    も第1磁性層、絶縁層、第2磁性層を順に積層した磁気
    トンネル接合素子からなり、且つ少なくとも該第1又は
    第2磁性層の該絶縁層積層側と異なる側に、金属層を介
    するとともに中央部を離間して前記閉磁路層を設け、第
    1磁性層及び閉磁路層又は第2磁性層及び閉磁路層によ
    り閉磁路が構成されていることを特徴とする磁気メモリ
    セル。
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