JP4766835B2 - Magnetic random access memory cell using magnetostatic coupling - Google Patents
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Description
本発明は、磁性ランダムアクセスメモリ（以下ＭＲＡＭと言う）セルに関するものである。 The present invention relates to a magnetic random access memory (hereinafter referred to as MRAM) cell.
形状磁気異方性を記憶セルの情報安定性に用いる従来のＭＲＡＭの場合、セル幅が0.2 μｍ以下になると、不揮発メモリ応用として必要な熱安定性の確保、および実用的な電流強度でのスイッチングの両者を満足するセル設計が困難になる（非特許文献４及び５参照）。またスイッチング磁界を発生させる導体線の表面を高透磁率材料で被覆することにより磁界発生効率を上げる手法（ヨーク型導体線，Abstract of ICＭ2003，5T-ｐｍ-06）でも、セル幅が0.1 μｍ以下のGbit-ＭＲＡＭには対応できない。また、記憶磁性層として人工フェリ磁性体を用いることによる記憶セルの低スイッチング磁界化も提案されている（特開2002-280642，特開2001-156358、非特許文献１乃至３）。
しかしながら従来提案されている技術では、記憶セルの熱安定性の確保が非常に難しく、上記問題の根本的な解決に至っていない。そのため従来技術では次世代の超高密度不揮発メモリにおいて必須の要件であるセルサイズ0.1μｍ以下の領域では実用上充分な記録情報の安定性と低消費電力性能を具備した記憶セルの実現が不可能である。 However, with the conventionally proposed technology, it is very difficult to ensure the thermal stability of the memory cell, and the fundamental solution to the above problem has not been achieved. Therefore, in the conventional technology, it is impossible to realize a storage cell with practically sufficient recording information stability and low power consumption performance in the area of cell size 0.1 μm or less, which is an essential requirement for the next generation ultra high density nonvolatile memory. It is.
本発明の目的は、実用上充分な記録情報の安定性と低消費電力性能を具備した磁性ランダムアクセスメモリセルを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a magnetic random access memory cell having practically sufficient recording information stability and low power consumption performance.
本発明の他の目的は、セルサイズが0.1μｍ以下でも記録情報の安定性と低消費電力性能を具備した磁性ランダムアクセスメモリセルを提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a magnetic random access memory cell having stability of recorded information and low power consumption performance even when the cell size is 0.1 μm or less.
本発明の他の目的は、実用上充分な記録情報の安定性と低消費電力性能を具備した磁性ランダムアクセスメモリセルを備えた磁気メモリ装置を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a magnetic memory device including a magnetic random access memory cell having practically sufficient recording information stability and low power consumption performance.
本発明は、ピン層と主非磁性層とフリー層とが積層された構造を有する磁性ランダムアクセスメモリセルを発明の対象とする。本発明においては、フリー層を、一軸磁気異方性Ｋｕの大きさが異なる二つの強磁性層とこれを分離する非磁性層とから構成する。そして二つの強磁性層を非磁性層を介して静磁気結合する。なおフリー層を構成する各層はそれぞれ導電性を有する。 An object of the present invention is a magnetic random access memory cell having a structure in which a pinned layer, a main nonmagnetic layer, and a free layer are laminated. In the present invention, the free layer is composed of two ferromagnetic layers having different uniaxial magnetic anisotropies Ku and a nonmagnetic layer separating them. Then, the two ferromagnetic layers are magnetostatically coupled through the nonmagnetic layer. Each layer constituting the free layer has conductivity.
なおピン層を、一軸磁気異方性Ｋｕの大きさが異なる別の二つの強磁性層とこれを分離する別の非磁性層とから構成し、別の二つの強磁性層を別の非磁性層を介して、静磁気結合してもよい。またピン層を主非磁性層と接する更に別の強磁性層と反強磁性層とから構成してもよい。 The pinned layer is composed of two other ferromagnetic layers having different uniaxial magnetic anisotropies Ku and another nonmagnetic layer separating the two, and the other two ferromagnetic layers are separated from another nonmagnetic layer. Magnetostatic coupling may be achieved through the layers. The pinned layer may be composed of another ferromagnetic layer in contact with the main nonmagnetic layer and an antiferromagnetic layer.
なお強磁性薄膜固有の結晶学的な一軸磁気異方性により磁化の双方向安定性を実現し、これにより磁性ランダムアクセスメモリセルを等方的な形状とするのが好ましい。 It is preferable to achieve bidirectional stability of magnetization by the crystallographic uniaxial magnetic anisotropy inherent to the ferromagnetic thin film, thereby making the magnetic random access memory cell has an isotropic shape.
なおフリー層を構成する二つの強磁性層のうち外側に位置するソフト磁性層の飽和磁化Ｍ1及び層厚ｔ1と二つの強磁性層のうち内側に位置するハード磁性層の飽和磁化Ｍ2及び層厚t2が、Ｍ1t1＞Ｍ2t2の条件を充たし、かつソフト磁性層の一軸磁気異方性エネルギーＫｕ1とハード磁性層の一軸磁気異方性エネルギーＫｕ2が、Ｋｕ1＜104 erg/ｃｍ3，104 erg/ｃｍ3＜Ｋｕ2＜107 erg/ｃｍ3であるようにするのが好ましい。 Of the two ferromagnetic layers constituting the free layer, the saturation magnetization M 1 of the soft magnetic layer located outside and the layer thickness t 1 and the saturation magnetization M 2 of the hard magnetic layer located inside of the two ferromagnetic layers. And the layer thickness t 2 satisfies the condition of M 1 t 1 > M 2 t 2 , and the uniaxial magnetic anisotropy energy Ku 1 of the soft magnetic layer and the uniaxial magnetic anisotropy energy Ku 2 of the hard magnetic layer are Ku. It is preferable that 1 <10 4 erg / cm 3 and 10 4 erg / cm 3 <Ku 2 <10 7 erg / cm 3 .
また磁性ランダムアクセスメモリセルとトランジスタまたはダイオードを含む機能要素をアレイ状に配置して磁気メモリ装置を構成してもよい。 Further, the magnetic memory device may be configured by arranging functional elements including magnetic random access memory cells and transistors or diodes in an array.
一軸磁気異方性Ｋｕ、飽和磁化Ｍs、体積Ｖの単磁区磁性体の場合、その磁化反転磁界Ｈswtは２Ｋｕ/Ｍとなり、磁化方位の熱安定性の指標となるエネルギー障壁ΔＥはＫｕＶで与えられる。本発明で用いるフリー層は、より具体的には、「磁気異方性が小さく(Ｋｕ1＜104 erg/ｃｍ3) 飽和磁化の大きな(Ｍ1＞1.7 T)ソフト磁性層(膜厚ｔ1)」即ち一方の強磁性層と「一軸磁気異方性が強く(104 erg/ｃｍ3＜Ｋｕ2＜107 erg/ｃｍ3)、高い熱安定性を示すハード磁性層（膜厚ｔ1，飽和磁化Ｍ2）」即ち他方の強磁性層とを、非磁性層(膜厚ｔN)で分離した構造を有する。なお、ソフト磁性層とハード磁性層の磁化容易軸Ｋｕ1，Ｋｕ2の方向は一致しているものとする。ここで、非磁性層の膜厚ｔNは2 ｎｍ＜ｔN＜500 ｎｍを満たし、非磁性金属層を介したソフト磁性層-ハード磁性層間の交換結合力はＡ＜10-3 erg/ｃｍ2 (Ａ: 交換スティフネス定数)とする。また、Ｍ1ｔ1＞Ｍ2ｔ2を満たすようにソフト磁性層およびハード磁性層の飽和磁化、膜厚を設定することが動作電力低減の観点から望ましい。 In the case of a uniaxial magnetic anisotropy Ku, saturation magnetization M s , and volume V single-domain magnetic material, the magnetization reversal field H swt is 2 Ku / M, and the energy barrier ΔE that is an index of the thermal stability of the magnetization orientation is KuV. Given. More specifically, the free layer used in the present invention is “a magnetic anisotropy (Ku 1 <10 4 erg / cm 3 ) and a large saturation magnetization (M 1 > 1.7 T) soft magnetic layer (thickness t 1 ) ”, that is, one ferromagnetic layer and“ a hard magnetic layer (thickness t) having high uniaxial magnetic anisotropy (10 4 erg / cm 3 <Ku 2 <10 7 erg / cm 3 ) and high thermal stability. 1 , saturation magnetization M 2 ) ”, that is, the other ferromagnetic layer is separated by a nonmagnetic layer (film thickness t N ). It is assumed that the directions of easy magnetization axes Ku 1 and Ku 2 of the soft magnetic layer and the hard magnetic layer are the same. Here, the film thickness t N of the nonmagnetic layer satisfies 2 nm <t N <500 nm, and the exchange coupling force between the soft magnetic layer and the hard magnetic layer via the nonmagnetic metal layer is A <10 −3 erg / cm. 2 (A: Exchange stiffness constant). In addition, it is desirable from the viewpoint of reducing operating power to set the saturation magnetization and film thickness of the soft magnetic layer and the hard magnetic layer so as to satisfy M 1 t 1 > M 2 t 2 .
詳細な数値解析結果からは、理想的な動作特性を実現し得る層構成の一例として、Ｍ1 = 2.2×104 Gauss，Ｍ2 = 0.9×104 Gauss，Ｋｕ1=103 erg/ｃｍ3，Ｋｕ2=2×105 erg/ｃｍ3，ｔ1 = 15 ｎｍ，ｔ2 = 1.5 ｎｍ，ｔn = 10 ｎｍがあげられる。 From the detailed numerical analysis results, M 1 = 2.2 × 10 4 Gauss, M 2 = 0.9 × 10 4 Gauss, Ku 1 = 10 3 erg / cm 3 as an example of a layer configuration capable of realizing ideal operating characteristics. , Ku 2 = 2 × 10 5 erg / cm 3 , t 1 = 15 nm, t 2 = 1.5 nm, and t n = 10 nm.
このような３層構造のフリー層を等方的なセル形状(正方形セル、円形セル)に加工する。このとき、パターン端部の磁極表出に起因する静磁気相互作用により、ソフト磁性層とハード磁性層（二つの強磁性層）の磁化Ｍ1とＭ2は、反並行配置(θ２＝θ１＋π)が残留磁化状態（零磁界状態）で安定となる。なお両磁性層の静磁結合エネルギーは、Δθ＝θ１−θ２＝πで最小、Δθ＝０で最大となる。ここで、ソフト磁性層の磁化Ｍ1と逆向きの外部磁界Ｈexを印加すると、ソフト磁性層の磁化反転に伴いΔθがπから減少し、静磁結合エネルギーが増大する。さらにΔθ＜π／２（ソフト磁性層の磁化反転）となると、ハード磁性層にはＭ2とは逆向きの（ソフト磁性層による）浮遊磁界が加わることにより、ハード磁性層の磁化がＫｕ2L2ｔ2のエネルギー障壁を越えて反転する。その結果、ソフト磁性層とハード磁性層の磁化が反並行配置を保持したまま、各々の磁化が連動して反転する。この反転過程では、ソフト磁性層の磁化Ｍ1は外部磁界により、ハード磁性層の磁化Ｍ2はソフト磁性層の磁化反転に伴う浮遊磁界極性の変化により反転する。このため、系の反転磁界強度は、ソフト磁性層の低保磁力特性を反映したものとなる。また、磁化反転時のエネルギー障壁ΔＥは、ハード磁性層の一軸磁気異方性エネルギーＫｕ2L2ｔ2と、Δθの減少に伴う静磁気結合エネルギーの増加分を合計したものになる。後者の静磁気結合エネルギーは、ソフト磁性層の磁化反転時にΔθがπより減少することにより増大する項であり、これが本発明セルのΔＥの増加、すなわち熱安定性増大効果を生み出す。 Such a free layer having a three-layer structure is processed into an isotropic cell shape (square cell, circular cell). At this time, the magnetizations M 1 and M 2 of the soft magnetic layer and the hard magnetic layer (two ferromagnetic layers) are antiparallelly arranged (θ2 = θ1 + π) due to the magnetostatic interaction resulting from the magnetic pole exposure at the pattern end. Becomes stable in the residual magnetization state (zero magnetic field state). The magnetostatic coupling energy of both magnetic layers is minimum when Δθ = θ1−θ2 = π, and maximum when Δθ = 0. Here, when an external magnetic field H ex opposite to the magnetization M 1 of the soft magnetic layer is applied, Δθ decreases from π along with the magnetization reversal of the soft magnetic layer, and the magnetostatic coupling energy increases. Further, when Δθ <π / 2 (magnetization reversal of the soft magnetic layer), a stray magnetic field opposite to M 2 (by the soft magnetic layer) is applied to the hard magnetic layer, so that the magnetization of the hard magnetic layer is Ku 2. Invert over the energy barrier of L 2 t 2 . As a result, the magnetizations of the soft magnetic layer and the hard magnetic layer are reversed in conjunction with each other while maintaining the antiparallel arrangement. In this reversal process, the magnetization M 1 of the soft magnetic layer is reversed by an external magnetic field, and the magnetization M 2 of the hard magnetic layer is reversed by a change in stray magnetic field polarity accompanying the magnetization reversal of the soft magnetic layer. For this reason, the reversal magnetic field strength of the system reflects the low coercive force characteristic of the soft magnetic layer. The energy barrier ΔE at the time of magnetization reversal is the sum of the uniaxial magnetic anisotropy energy Ku 2 L 2 t 2 of the hard magnetic layer and the increase in magnetostatic coupling energy accompanying the decrease in Δθ. The latter magnetostatic coupling energy is a term that increases when Δθ decreases from π during magnetization reversal of the soft magnetic layer, and this produces an increase in ΔE of the cell of the present invention, that is, an effect of increasing thermal stability.
簡単に整理すると、本発明のセルでは、非磁性層を介した二つの強磁性層の静磁気結合により、Ｋｕの異なる強磁性層（薄膜パターン）の磁化は零磁界状態で反平行となる。また、外部磁界によりＫｕの小さなソフト磁性層が反転する際、それに同期してＫｕの大きなハード磁性層が反転する。この際、ソフト磁性層とハード磁性層の静磁気結合力を適当な大きさに調節することにより、磁化反転時のエネルギー障壁を高め、これを記憶セルの熱安定性向上に用いる。またソフト磁性層の浮遊磁界強度をハード磁性層のそれに比べて十分大きくすることにより、セルの磁化反転磁界の低減を図ることができる。 Briefly, in the cell of the present invention, the magnetization of the ferromagnetic layer (thin film pattern) having different Ku becomes antiparallel in the zero magnetic field state due to the magnetostatic coupling of the two ferromagnetic layers via the nonmagnetic layer. Further, when the soft magnetic layer having a small Ku is inverted by an external magnetic field, the hard magnetic layer having a large Ku is inverted in synchronization with the inversion. At this time, by adjusting the magnetostatic coupling force between the soft magnetic layer and the hard magnetic layer to an appropriate magnitude, the energy barrier at the time of magnetization reversal is increased, and this is used to improve the thermal stability of the memory cell. Further, by making the stray magnetic field strength of the soft magnetic layer sufficiently larger than that of the hard magnetic layer, it is possible to reduce the magnetization reversal field of the cell.
またピン層も、一軸磁気異方性Ｋｕの大きさが異なる別の二つの強磁性層とこれを分離する別の非磁性層とから構成し、別の二つの強磁性層を別の非磁性層を介して、静磁気結合してもよい。このようにするとピン層の抵抗値を主非磁性層と接する更に別の強磁性層と反強磁性層とから構成する場合に比べて、抵抗値の大きな反強磁性層を使う必要がないため、抵抗値を小さくすることができて、読み出しエネルギーを小さくすることが可能になる。 The pinned layer is also composed of two other ferromagnetic layers having different uniaxial magnetic anisotropies Ku and another nonmagnetic layer separating the two ferromagnetic layers, and the other two ferromagnetic layers are separated from another nonmagnetic layer. Magnetostatic coupling may be achieved through the layers. In this case, it is not necessary to use an antiferromagnetic layer having a large resistance value as compared with the case where the resistance value of the pinned layer is composed of another ferromagnetic layer in contact with the main nonmagnetic layer and the antiferromagnetic layer. The resistance value can be reduced, and the read energy can be reduced.
本発明によれば、実用上充分な記録情報の安定性と低消費電力性能を具備した磁性ランダムアクセスメモリセル及びこのセルを用いた磁気メモリ装置を得ることができる。特に、本発明によれば、セルサイズが０．１μｍ以下になった場合でも、記録情報の安定性と低消費電力性能を実現できる。 According to the present invention, a magnetic random access memory cell having a practically sufficient stability of recorded information and low power consumption performance and a magnetic memory device using the cell can be obtained. In particular, according to the present invention, even when the cell size is 0.1 μm or less, the stability of recorded information and the low power consumption performance can be realized.
図１は、本発明の磁性ランダムアクセスメモリセルの実施の形態（左側の図）と従来の磁性ランダムアクセスメモリセル１（右側の図）の層構造を対比した関係で示す図である。本発明の実施の形態の磁性ランダムアクセスメモリセル１も従来と同様に、フリー層２と、セルにおける非磁性層（主非磁性層）３とピン層４とが積層された構造を有している。本発明のセル１では、フリー層２を、一軸磁気異方性Ｋｕの大きさが異なる二つの強磁性層即ちソフト磁性層５及びハード磁性層７とこれを分離する非磁性層６とから構成している。そして二つの強磁性層即ちソフト磁性層５及びハード磁性層７を非磁性層６を介して静磁気結合する。なおフリー層２を構成する各層５乃至７はそれぞれ導電性を有している。またこの実施の形態では、ピン層４を、一軸磁気異方性Ｋｕの大きさが異なる別の二つの強磁性層８及び１０とこれを分離する別の非磁性層９とから構成する。ピン層４においても、二つの強磁性層８及び１０は、非磁性層９を介して静磁気結合している。 FIG. 1 is a diagram showing a comparison of the layer structure of an embodiment (left diagram) of a magnetic random access memory cell of the present invention and a conventional magnetic random access memory cell 1 (right diagram). The magnetic random access memory cell 1 according to the embodiment of the present invention also has a structure in which a free layer 2, a nonmagnetic layer (main nonmagnetic layer) 3 and a pinned layer 4 in the cell are stacked as in the conventional case. Yes. In the cell 1 of the present invention, the free layer 2 is composed of two ferromagnetic layers having different uniaxial magnetic anisotropies Ku, that is, a soft magnetic layer 5 and a hard magnetic layer 7 and a nonmagnetic layer 6 separating them. is doing. Then, the two ferromagnetic layers, that is, the soft magnetic layer 5 and the hard magnetic layer 7 are magnetostatically coupled through the nonmagnetic layer 6. Each of the layers 5 to 7 constituting the free layer 2 has conductivity. In this embodiment, the pinned layer 4 is composed of two other ferromagnetic layers 8 and 10 having different uniaxial magnetic anisotropies Ku and another nonmagnetic layer 9 separating them. Also in the pinned layer 4, the two ferromagnetic layers 8 and 10 are magnetostatically coupled via the nonmagnetic layer 9.
図２及び図３を用いて、詳しく説明する。一軸磁気異方性Ｋｕ、飽和磁化Ｍs、体積Ｖの単磁区磁性体の場合には、その磁化反転磁界Ｈswtは２Ｋｕ/Ｍsとなり、磁化方位の熱安定性の指標となるエネルギー障壁ΔＥはＫｕＶで与えられる。これに対して図２に示すように、本発明で用いるフリー層２は、磁気異方性が小さく(Ｋｕ1＜104 erg/ｃｍ3) 飽和磁化の大きな(Ｍ1＞1.7 T)ソフト磁性層５(膜厚ｔ1）即ち一方の強磁性層と一軸磁気異方性が強く(104 erg/ｃｍ3＜Ｋｕ2＜107 erg/ｃｍ3)、高い熱安定性を示すハード磁性層（膜厚ｔ1，飽和磁化Ｍ2）即ち他方の強磁性層とを、非磁性層(膜厚ｔN)で分離した構造を有する。ソフト磁性層５を構成する強磁性層は、飽和磁化が大きく、結晶学的な磁気異方性の小さなソフト磁性体（NiFe，FeCoなど）により形成されている。このソフト磁性層５は、ハード磁性層７よりも大きな浮遊磁界を形成する。またハード磁性層７は、1.0 ｔ程度の比較的小さな飽和磁化を有し、結晶学的な一軸磁気異方性が強い磁性体（CoPｔ，FePｔなど）により形成されている。ハード磁性層７は、ソフト磁性層５よりも小さな浮遊磁界を形成する。非磁性金属層からなる非磁性層６は、膜厚ｔNが2 ｎｍ＜ｔN＜500 ｎｍを満たしている。この非磁性層６を介したソフト磁性層５とハード磁性層７との間の交換結合力はＡ＜10-3 erg/ｃｍ2 (Ａ: 交換スティフネス定数)である。なお、ソフト磁性層５とハード磁性層７の磁化容易軸Ｋｕ1，Ｋｕ2の方向は一致しているものとする。また、Ｍ1ｔ1＞Ｍ2ｔ2を満たすようにソフト磁性層５およびハード磁性層７の飽和磁化及び膜厚は定められている。 This will be described in detail with reference to FIGS. In the case of a single-domain magnetic body with uniaxial magnetic anisotropy Ku, saturation magnetization M s , and volume V, the magnetization reversal field H swt is 2 Ku / M s , which is an energy barrier ΔE that is an indicator of the thermal stability of the magnetization orientation. Is given in KuV. On the other hand, as shown in FIG. 2, the free layer 2 used in the present invention has a small magnetic anisotropy (Ku 1 <10 4 erg / cm 3 ) and a large saturation magnetization (M 1 > 1.7 T). Layer 5 (film thickness t 1 ), that is, a hard magnetic layer having a high uniaxial magnetic anisotropy (10 4 erg / cm 3 <Ku 2 <10 7 erg / cm 3 ) and high thermal stability (Thickness t 1 , saturation magnetization M 2 ), that is, the other ferromagnetic layer is separated by a nonmagnetic layer (thickness t N ). The ferromagnetic layer constituting the soft magnetic layer 5 is made of a soft magnetic material (NiFe, FeCo, etc.) having a large saturation magnetization and a small crystallographic magnetic anisotropy. The soft magnetic layer 5 forms a stray magnetic field larger than that of the hard magnetic layer 7. The hard magnetic layer 7 is made of a magnetic material (CoPt, FePt, etc.) having a relatively small saturation magnetization of about 1.0 t and a strong crystallographic uniaxial magnetic anisotropy. The hard magnetic layer 7 forms a stray magnetic field smaller than that of the soft magnetic layer 5. The nonmagnetic layer 6 made of a nonmagnetic metal layer has a thickness t N satisfying 2 nm <t N <500 nm. The exchange coupling force between the soft magnetic layer 5 and the hard magnetic layer 7 via the nonmagnetic layer 6 is A <10 −3 erg / cm 2 (A: exchange stiffness constant). It is assumed that the directions of the easy magnetization axes Ku 1 and Ku 2 of the soft magnetic layer 5 and the hard magnetic layer 7 are the same. Further, the saturation magnetization and film thickness of the soft magnetic layer 5 and the hard magnetic layer 7 are determined so as to satisfy M 1 t 1 > M 2 t 2 .
またセル１の非磁性層（主非磁性層）３は、ＴＭＲの場合にはＡｌ２Ｏ３、ＧＭＲの場合にはＣｕから形成されている。更に、セル１のピン層４の強磁性層８及び１０は、結晶学的な一軸磁気異方性の強いハード磁性材料（CoPｔ，FePｔなど）で形成されている。非磁性層９の膜厚ｔNは2 ｎｍ＜ｔN＜500 ｎｍを満たし、非磁性層９を介した二つの強磁性層８及び１０間の交換結合力はＡ＜10-3 erg/ｃｍ2 (Ａ: 交換スティフネス定数)である。なお二つの強磁性層８及び１０の一軸磁気異方性Ｋｕは共に大きく、実質の飽和磁化Ｍｓは０になっている。強磁性層８及び１０には、同じ膜厚の同種材料を選択しており、非磁性金属層としての非磁性層９を介して両者は静磁気結合しており、ピン層４の浮遊磁界は零にしてある。このようにすると、静磁気結合によるハード磁性化を実現することができるため、従来の構造のように、反強磁性体によるピン止めを用いた素子（セル）に比べて、より高温での動作が可能になる。 The nonmagnetic layer (main nonmagnetic layer) 3 of the cell 1 is made of Al 2 O 3 in the case of TMR and Cu in the case of GMR. Further, the ferromagnetic layers 8 and 10 of the pinned layer 4 of the cell 1 are formed of a hard magnetic material (CoPt, FePt, etc.) having a strong crystallographic uniaxial magnetic anisotropy. The film thickness t N of the nonmagnetic layer 9 satisfies 2 nm <t N <500 nm, and the exchange coupling force between the two ferromagnetic layers 8 and 10 via the nonmagnetic layer 9 is A <10 −3 erg / cm. 2 (A: exchange stiffness constant). The uniaxial magnetic anisotropies Ku of the two ferromagnetic layers 8 and 10 are both large, and the substantial saturation magnetization Ms is zero. The same kind of material having the same film thickness is selected for the ferromagnetic layers 8 and 10, both of which are magnetostatically coupled through the nonmagnetic layer 9 as a nonmagnetic metal layer, and the stray magnetic field of the pinned layer 4 is It is zero. This makes it possible to realize hard magnetism by magnetostatic coupling, so that it operates at a higher temperature than an element (cell) using anti-ferromagnetic pinning as in the conventional structure. Is possible.
詳細な数値解析結果からは、理想的な動作特性を実現し得る層構成の一例として、Ｍ1 = 2.2×104 Gauss，Ｍ2 = 0.9×104 Gauss，Ｋｕ1=103 erg/ｃｍ3，Ｋｕ2=2×105 erg/ｃｍ3，ｔ1 = 15 ｎｍ，ｔ2 = 1.5 ｎｍ，ｔn = 10 ｎｍがあげられる。 From the detailed numerical analysis results, M 1 = 2.2 × 10 4 Gauss, M 2 = 0.9 × 10 4 Gauss, Ku 1 = 10 3 erg / cm 3 as an example of a layer configuration capable of realizing ideal operating characteristics. , Ku 2 = 2 × 10 5 erg / cm 3 , t 1 = 15 nm, t 2 = 1.5 nm, and t n = 10 nm.
本実施の形態では、３層構造のフリー層２を等方的なセル形状(図２に示すような正方形セル）に加工してある。図２及び図３に示すように、パターン端部の磁極表出に起因する静磁気相互作用により、ソフト磁性層５とハード磁性層７の磁化Ｍ1とＭ2は、反並行配置(θ２＝θ１＋π)が残留磁化状態（零磁界状態）で安定となる。なお両磁性層５及び７の静磁結合エネルギーは、Δθ＝θ１−θ２＝πで最小、Δθ＝０で最大となる。ここで、ソフト磁性層の磁化Ｍ1と逆向きの外部磁界Ｈexを印加すると、ソフト磁性層５の磁化反転に伴いΔθがπから減少し、静磁結合エネルギーが増大する。さらにΔθ＜π／２（ソフト磁性層５の磁化反転）となると、ハード磁性層７にはその磁化Ｍ2とは逆向きの（ソフト磁性層５による）浮遊磁界が加わることにより、ハード磁性層７の磁化Ｍ 2 がＫｕ2L2ｔ2のエネルギー障壁を越えて反転する。その結果、ソフト磁性層５とハード磁性層７の磁化Ｍ 1 及びＭ 2 が反並行配置を保持したまま、各々の磁化が連動して反転する。この反転過程では、ソフト磁性層５の磁化Ｍ1は外部磁界により、ハード磁性層７の磁化Ｍ2はソフト磁性層５の磁化反転に伴う浮遊磁界極性の変化により反転する。このため、系の反転磁界強度は、ソフト磁性層５の低保磁力特性を反映したものとなる。また、磁化反転時のエネルギー障壁ΔＥは、ハード磁性層７の一軸磁気異方性エネルギーＫｕ2L2ｔ2と、Δθの減少に伴う静磁気結合エネルギーの増加分を合計したものになる。後者の静磁気結合エネルギーは、ソフト磁性層７の磁化反転時にΔθがπより減少することにより増大する項であり、これが本発明のセルのエネルギー障壁ΔＥの増加、すなわち熱安定性増大効果を生み出している。 In the present embodiment, the free layer 2 having a three-layer structure is processed into an isotropic cell shape (a square cell as shown in FIG. 2). As shown in FIG. 2 and FIG. 3, the magnetizations M 1 and M 2 of the soft magnetic layer 5 and the hard magnetic layer 7 are antiparallelly arranged (θ2 = θ2) due to the magnetostatic interaction resulting from the magnetic pole exposure at the pattern end. θ1 + π) is stable in the residual magnetization state (zero magnetic field state). The magnetostatic coupling energy of both magnetic layers 5 and 7 is minimum when Δθ = θ1−θ2 = π, and maximum when Δθ = 0. Here, when an external magnetic field H ex opposite to the magnetization M 1 of the soft magnetic layer is applied, Δθ decreases from π along with the magnetization reversal of the soft magnetic layer 5, and the magnetostatic coupling energy increases. Further, when Δθ <π / 2 (magnetization reversal of the soft magnetic layer 5), the hard magnetic layer 7 is applied with a stray magnetic field (by the soft magnetic layer 5) opposite to the magnetization M 2 , thereby causing the hard magnetic layer 7 7 magnetization M 2 reverses over the Ku 2 L 2 t 2 energy barrier. As a result, the magnetizations M 1 and M 2 of the soft magnetic layer 5 and the hard magnetic layer 7 are reversed in conjunction with each other while maintaining the antiparallel arrangement. In this reversal process, the magnetization M 1 of the soft magnetic layer 5 is reversed by an external magnetic field, and the magnetization M 2 of the hard magnetic layer 7 is reversed by a change in stray magnetic field polarity accompanying the magnetization reversal of the soft magnetic layer 5. For this reason, the reversal magnetic field strength of the system reflects the low coercive force characteristic of the soft magnetic layer 5. The energy barrier ΔE at the time of magnetization reversal is the sum of the uniaxial magnetic anisotropy energy Ku 2 L 2 t 2 of the hard magnetic layer 7 and the increase in magnetostatic coupling energy accompanying the decrease in Δθ. The latter magnetostatic coupling energy is a term that increases as Δθ decreases from π during the magnetization reversal of the soft magnetic layer 7, and this increases the energy barrier ΔE of the cell of the present invention, that is, produces an effect of increasing thermal stability. ing.
図４は、本発明の他の実施の形態の磁性ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セル１の層構造を示す図である。この実施の形態では、ピン層４として図１の従来の構造と同様に強磁性層８と反強磁性層１１とからなる構成を採用している。ここで反強磁性層１１はFeＭn，IrＭn等により形成されている。 FIG. 4 is a diagram showing a layer structure of a magnetic random access memory (MRAM) cell 1 according to another embodiment of the present invention. In this embodiment, as the pinned layer 4, a configuration comprising a ferromagnetic layer 8 and an antiferromagnetic layer 11 is employed as in the conventional structure of FIG. Here, the antiferromagnetic layer 11 is formed of FeMn, IrMn or the like.
磁性ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）の記憶セルとして用いられるスピンバルブ素子および磁気抵抗素子の磁気フリー層を本発明で用いる静磁結合膜セル１で置換すれば、従来の単一磁性層を磁気フリー層に用いた記憶セルに対して同等の熱安定性を確保しながら、磁化反転磁界を５０％以上低減させることができる。具体的な静磁気結合膜セルの計算機による動作シミュレーション結果を以下に説明する。 If the magnetic free layer of the spin valve element and the magnetoresistive element used as the memory cell of the magnetic random access memory (MRAM) is replaced with the magnetostatic coupling film cell 1 used in the present invention, the conventional single magnetic layer is replaced with the magnetic free layer. The magnetization reversal magnetic field can be reduced by 50% or more while ensuring the same thermal stability for the memory cell used in the above. A specific operation simulation result of the magnetostatic coupling film cell by a computer will be described below.
ＭＲＡＭの高記録密度化において解決すべき重要な問題点は、セル微細化に伴うスイッチング磁界の増大と熱安定性の劣化（双安定状態間のエネルギー障壁の低下）である。体積Ｖ、飽和磁化Ｍs、一軸磁気異方性Ｋｕを有する単磁区粒子の場合、スイッチング磁界はＨswｔ=2Ｋｕ/Ｍs，エネルギー障壁はΔＥ=ＫｕＶで与えられる。したがって、ＭＲＡＭセルの微細化（体積の減少）にしたがって一軸磁気異方性Ｋｕを大きくしなければならないが、これは磁化反転磁界Ｈswｔの増大を引き起こす。セルサイズが0.1μｍ程度に近づくにつれて、これらの相反要求を満たすことが可能なセル形状および材料の最適解を見つけることが不可能になりつつある。 An important problem to be solved in increasing the recording density of the MRAM is an increase in switching magnetic field and a deterioration in thermal stability (reduction in energy barrier between bistable states) accompanying cell miniaturization. In the case of single domain particles having volume V, saturation magnetization M s , and uniaxial magnetic anisotropy Ku, the switching magnetic field is given by H swt = 2Ku / M s and the energy barrier is given by ΔE = KuV. Therefore, the uniaxial magnetic anisotropy Ku must be increased in accordance with the miniaturization (volume reduction) of the MRAM cell, which causes an increase in the magnetization switching magnetic field H swt . As the cell size approaches 0.1 μm, it is becoming impossible to find an optimal cell shape and material solution that can meet these conflicting requirements.
そこで本発明では、飽和磁化Ｍsが大きく一軸磁気異方性Ｋｕが小さなソフト磁性層５（小さな磁界でスイッチング可能）と、一軸磁気異方性Ｋｕが大きく熱安定性の大きなハード磁性層７を静磁気結合させた「機能分担型フリー層」を提案する。「ソフト磁性層５の低スイッチング磁界特性」と「ハード磁性層７の高い熱安定性」の両者の長所を併せ持つ新しい機能性材料が、両磁性層間の静磁気結合力を最適化することにより実現可能かどうかを以下にシミュレーションした。 Therefore, in the present invention, the saturation magnetization M s greater uniaxial magnetic anisotropy Ku is small soft magnetic layer 5 (switchable with a small magnetic field), a large hard magnetic layer 7 of the uniaxial magnetic anisotropy Ku is larger thermal stability We propose a "functionally-shared free layer" with magnetostatic coupling. A new functional material that combines the advantages of both “low switching magnetic field characteristics of the soft magnetic layer 5” and “high thermal stability of the hard magnetic layer 7” is realized by optimizing the magnetostatic coupling force between the two magnetic layers. The simulation was performed as follows.
計算モデルは図２に示すとおりである。飽和磁化Ｍ1、膜厚ｔ1のソフト磁性層５と飽和磁化Ｍ2，膜厚ｔ2のハード磁性層７を膜厚ｔNの非磁性層６で分離した構造を有する。セル形状は0.1μｍ角の正方パターンとする。各磁性層５及び７は単磁区とし、磁化Ｍ 1 及びＭ 2 は膜面内(ｘ−ｙ面内)のみで回転する。ソフト磁性層５およびハード磁性層７は、ｙ軸を容易軸とし、大きさがそれぞれＫｕ1およびＫｕ2の一軸磁気異方性を有する。磁化Ｍ1およびＭ2と＋ｙ軸とのなす角をそれぞれθ１およびθ２とし、(θ１＝０，θ２＝π)を初期状態とする（静磁気結合により反並行配置が安定化）。このような系に対し、ソフト磁性層５の磁化Ｍ 2 とは逆向き、すなわち−y方向に外部磁界Ｈexを印加した際、系全体でのエネルギー（ゼーマンエネルギーＥｚ、磁気異方性エネルギーＥｋ、隣接磁性層の浮遊磁界による静磁エネルギーＥｄの和）が極小となるようにθ１およびθ２を求め、静磁結合膜パターンの磁化反転特性を調べた。 The calculation model is as shown in FIG. The soft magnetic layer 5 having a saturation magnetization M 1 and a film thickness t 1 and the hard magnetic layer 7 having a saturation magnetization M 2 and a film thickness t 2 are separated by a nonmagnetic layer 6 having a film thickness t N. The cell shape is a square pattern of 0.1 μm square. Each of the magnetic layers 5 and 7 has a single magnetic domain, and the magnetizations M 1 and M 2 rotate only in the film plane (in the xy plane). The soft magnetic layer 5 and the hard magnetic layer 7 have the y axis as an easy axis and have uniaxial magnetic anisotropies of Ku 1 and Ku 2 , respectively. The angles formed by the magnetizations M 1 and M 2 and the + y axis are θ 1 and θ 2, respectively, and (θ 1 = 0, θ 2 = π) is set to the initial state (antiparallel arrangement is stabilized by magnetostatic coupling). For such a system, when an external magnetic field Hex is applied in the direction opposite to the magnetization M 2 of the soft magnetic layer 5 , that is, in the −y direction, the energy in the entire system (Zeeman energy Ez, magnetic anisotropy energy Ek). Then, θ1 and θ2 were obtained so that the sum of the magnetostatic energy Ed due to the stray magnetic field of the adjacent magnetic layer was minimized, and the magnetization reversal characteristics of the magnetostatic coupling film pattern were examined.
図５に記載した材料定数を仮定して計算したソフト磁性層５およびハード磁性層７それぞれの磁化曲線を示す。ただし、Ｍ1ｔ1＞Ｍ2ｔ2を満たすよう、すなわちソフト磁性層５の浮遊磁界強度がハード磁性層７よりも大きくなるように設定している。これを見ると、ソフト磁性層磁化の回転に同期してハード磁性層磁化が逆向きに回転し、約−14 Ｏeでソフト磁性層５の磁化反転と同時にハード磁性層７も逆向きに反転している様子がわかる。その結果、ソフト磁性層５とハード磁性層７の磁化は、外部磁界により反平行状態を保持しつつ、その向きだけが反転する。静磁結合膜パターンをフリー層２とするＭＲＡＭでは、この２種類の反平行結合状態をデジタル情報に対応させる。 The magnetization curves of the soft magnetic layer 5 and the hard magnetic layer 7 calculated on the assumption of the material constants shown in FIG. 5 are shown. However, it is set so that M 1 t 1 > M 2 t 2 is satisfied, that is, the stray magnetic field strength of the soft magnetic layer 5 is larger than that of the hard magnetic layer 7 . As seen, the magnetization of the hard magnetic layer rotates in the opposite direction in synchronization with the rotation of the magnetization of the soft magnetic layer, and at the same time as the magnetization reversal of the soft magnetic layer 5 at about −14 Oe, the hard magnetic layer 7 also reverses in the opposite direction. You can see how it is. As a result, the magnetizations of the soft magnetic layer 5 and the hard magnetic layer 7 are reversed only in their directions while maintaining an antiparallel state by the external magnetic field. In the MRAM in which the magnetostatic coupling film pattern is the free layer 2 , these two types of antiparallel coupling states are associated with digital information.
図６は、上からソフト磁性層５、ハード磁性層７、および系全体のエネルギーが磁化反転時にどのように変化するかを示したものである。まず、ソフト磁性層５において磁化反転時に増加するエネルギー項を見ると、ハード磁性層７のフリンジ磁界による静磁エネルギーの増加が、エネルギー障壁ΔＥの大半を占めている。これに対し、ハード磁性層７の場合には、ソフト磁性層５のフリンジ磁界による静磁エネルギーの増加分に一軸磁気異方性エネルギーの寄与を加えたものになる。その結果、系全体ではハード磁性層７の磁化容易軸Ｋｕ2に起因する一軸磁気異方性エネルギーだけではなく、フリンジ磁界による静磁エネルギーの変化分もエネルギー障壁の形成に寄与しており、熱安定性の向上が期待される。特に後者の寄与は、磁化反転時にΔθ＝θ１−θ２がπよりも小さくなることによって発生することから、ソフト磁性層５とハード磁性層７の静磁気結合力の大きさに大きく依存する。結合力が大きすぎると、Δθ＝πを保ったまま反転するため、静磁気結合によるエネルギー障壁の増大効果が消滅する。したがって、２つの磁性層５及び７をRuなどの非常に薄い金属膜で分離した人工フェリ磁性体などの場合、両磁性層５及び７の結合力が非常に強いため、静磁結合によるエネルギー障壁ΔＥの増大効果は見込めない。 FIG. 6 shows how the energy of the soft magnetic layer 5 , the hard magnetic layer 7 , and the entire system changes at the time of magnetization reversal from the top. First, looking at the energy term that increases at the time of magnetization reversal in the soft magnetic layer 5 , the increase in magnetostatic energy due to the fringe magnetic field of the hard magnetic layer 7 occupies most of the energy barrier ΔE. On the other hand, in the case of the hard magnetic layer 7 , the contribution of the uniaxial magnetic anisotropy energy is added to the increase in the magnetostatic energy due to the fringe magnetic field of the soft magnetic layer 5 . As a result, in the entire system, not only the uniaxial magnetic anisotropy energy caused by the easy axis Ku 2 of the hard magnetic layer 7 but also the change in magnetostatic energy due to the fringe magnetic field contributes to the formation of the energy barrier. Improvement in stability is expected. In particular, the latter contribution is generated when Δθ = θ1−θ2 becomes smaller than π at the time of magnetization reversal, and therefore greatly depends on the magnitude of the magnetostatic coupling force between the soft magnetic layer 5 and the hard magnetic layer 7 . If the coupling force is too large, the reversal is maintained while maintaining Δθ = π, and the effect of increasing the energy barrier due to magnetostatic coupling disappears. Therefore, if the two magnetic layers 5 and 7 such as an artificial ferrimagnetic material separated by a very thin metal film such as Ru, since bonding strength of the two magnetic layers 5 and 7 is very strong, the energy barrier by magnetostatic coupling The effect of increasing ΔE cannot be expected.
図７は、ハード磁性層磁化Ｍ2の異なる系について計算したＨcとエネルギー障壁ΔＥの関係を示したものである。ＭＲＡＭ応用では、Ｈcは20 Ｏe程度、ΔＥ/kBｔは８０以上が要求される。したがって、グラフの傾きが小さいほどスイッチング磁界が小さく、熱安定性が高い材料であることを示している。図中破線で示した単層膜の結果に比べて、静磁結合膜パターンの結果はすべてグラフの傾きが小さくなっている。したがって、同程度の熱安定性を確保した場合、より小さな磁界での磁化反転が可能であることを示している。また、ハード磁性層磁化Ｍ2の減少に伴い傾きが徐々に減少を示すが、Ｍ2＝0.36×104 Gaussにまで小さくするとΔＥの増大（Ｋｕ2の増大）に従って急激なＨcの増大が見られる。これは、Ｍ2の減少に伴うハード磁性層７の高保磁力化が顕在化したためである。したがって、ハード磁性層７の飽和磁化には適正強度が存在する（：以下にＭ2＝0.9×104 Gauss固定）。 FIG. 7 shows the relationship between H c and energy barrier ΔE calculated for different systems of the hard magnetic layer magnetization M 2 . In an MRAM application, H c is required to be about 20 Oe and ΔE / k B t must be 80 or more. Therefore, the smaller the slope of the graph, the smaller the switching magnetic field and the higher the thermal stability. Compared to the result of the single-layer film indicated by the broken line in the figure, the gradient of the graph is small for all the results of the magnetostatic coupling film pattern. Therefore, it is shown that magnetization reversal with a smaller magnetic field is possible when the same degree of thermal stability is ensured. In addition, the inclination gradually decreases as the hard magnetic layer magnetization M 2 decreases. However, when M 2 is reduced to 0.36 × 10 4 Gauss, a sudden increase in H c occurs as ΔE increases (increases Ku 2 ). It can be seen. This is because the increase in the coercive force of the hard magnetic layer 7 due to the decrease in M 2 has become apparent. Therefore, there is an appropriate strength in the saturation magnetization of the hard magnetic layer 7 (: M 2 = 0.9 × 10 4 Gauss fixed below).
図８は、図７でもっとも良好な結果が得られたハード磁性層磁化Ｍ2＝0.9×104 Gaussの場合について、ハード磁性層７の厚さｔ2を1.5 ｎｍ〜6 ｎｍの範囲で変化させながら同様な計算を行ったものである。これを見ると、計算した膜厚範囲ではハード磁性層膜厚をできるだけ薄くしたほうが良好な反転特性を示すことがわかる（以下にｔ2＝1.5 ｎｍ固定）。 FIG. 8 shows a change in the thickness t 2 of the hard magnetic layer 7 in the range of 1.5 nm to 6 nm in the case of the hard magnetic layer magnetization M 2 = 0.9 × 10 4 Gauss where the best result was obtained in FIG. The same calculation was performed while From this, it can be seen that in the calculated film thickness range, the reversal characteristics are better when the hard magnetic layer is made as thin as possible (hereinafter t 2 = 1.5 nm fixed).
図９は、ソフト磁性層５の飽和磁化の異なる静磁結合膜パターンについて計算した磁化反転特性である。これを見ると、ソフト磁性層５にはできるだけ飽和磁化の大きなものを用いたほうがよいことがわかる。これは、静磁結合膜パターンにおいてソフト磁性層５が磁化反転のトリガー的な役割を担っており、飽和磁化の増大に伴うソフト磁性層５の低保磁力化が反映されたものと考えられる（以下にＭ1＝2.2×104 Gauss固定）。 FIG. 9 shows magnetization reversal characteristics calculated for magnetostatic coupling film patterns having different saturation magnetizations of the soft magnetic layer 5 . From this, it can be seen that it is better to use a soft magnetic layer 5 having a saturation magnetization as large as possible. This is considered that the soft magnetic layer 5 plays a role of triggering the magnetization reversal in the magnetostatic coupling film pattern, and the lower coercive force of the soft magnetic layer 5 accompanying the increase in saturation magnetization is reflected ( Below, M 1 = 2.2 × 10 4 Gauss fixed).
図１０は、非磁性層３の厚さｔNの異なる静磁結合膜パターンについて計算した結果である。これを見ると、1 ｎｍ〜30 ｎｍの範囲ではほとんど磁化反転特性が非磁性層厚に依存しないことがわかる。 FIG. 10 shows the result of calculation for magnetostatic coupling film patterns having different thicknesses t N of the nonmagnetic layer 3 . From this, it can be seen that the magnetization reversal characteristics hardly depend on the nonmagnetic layer thickness in the range of 1 nm to 30 nm.
最後に、図１１乃至図１３に示すように、ソフト磁性層５とハード磁性層７の間に反平行結合を促す交換結合Ａが存在する場合について同様な計算を行った。その結果、図１１に示すように、交換結合の強度が10-3 erg/ｃｍ以上になるとＨcが急激に増大することがわかった。反平行結合を促す層間交換結合が強い場合（人工フェリ磁性体がこれに相当）、ソフト磁性層５およびハード磁性層７が同時に反転（Δθ＝θ１−θ２＝πを保持したまま反転）しようとするため、ハード磁性層７の反転特性が系全体の磁化反転機構に反映される。これに対し、層間結合力が弱い（10-3 erg/ｃｍ以下）場合には、ソフト磁性層５がハード磁性層７よりも先に反転することにより、ソフト磁性層５のフリンジ磁界がハード磁性層７の反転を促進、その結果反転磁界が低減される。 Finally, as shown in FIGS. 11 to 13, the same calculation was performed for the case where exchange coupling A for promoting antiparallel coupling exists between the soft magnetic layer 5 and the hard magnetic layer 7 . As a result, as shown in FIG. 11, it was found that when the strength of exchange coupling is 10 −3 erg / cm or more, H c rapidly increases. When the interlayer exchange coupling that promotes antiparallel coupling is strong (the artificial ferrimagnetic material is equivalent to this), the soft magnetic layer 5 and the hard magnetic layer 7 are simultaneously reversed (inverted while maintaining Δθ = θ1−θ2 = π). Therefore, the reversal characteristics of the hard magnetic layer 7 are reflected in the magnetization reversal mechanism of the entire system. On the other hand, when the interlayer coupling force is weak (10 −3 erg / cm or less), the soft magnetic layer 5 is inverted before the hard magnetic layer 7 so that the fringe magnetic field of the soft magnetic layer 5 is hard magnetic. The reversal of the layer 7 is promoted, so that the reversal field is reduced.
以上の結果、ソフト磁性層５とハード磁性層７の反平行結合があまり強すぎると、エネルギー障壁ΔＥが低くなるばかりでなく、Ｈcが増大してしまう。したがって、ソフト磁性層５がハード磁性層７に先行して反転を開始できる程度に層間結合力を調節することが重要となることが分かる。 As a result, if the antiparallel coupling between the soft magnetic layer 5 and the hard magnetic layer 7 is too strong, not only the energy barrier ΔE is lowered but also H c is increased. Therefore, it can be seen that it is important to adjust the interlayer coupling force to the extent that the soft magnetic layer 5 can start reversal prior to the hard magnetic layer 7 .
次世代不揮発メモリデバイスとして、ナノ秒程度の高速動作が可能なＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ ＲＡＭ）の研究が盛んに行われている。ＭＲＡＭセルの材料および形状は、磁化反転磁界Ｈswtの低減と熱情乱に対する情報安定性（ポテンシャル障壁ΔＥ）の確保という相反要求を満足するように設計されなければならない。セルの双方向安定性を形状磁気異方性により実現する場合、ΔＥはセル膜厚ｔの２乗に、Ｈswtは１／ｔにそれぞれ比例する。このため、７０ｎｍ以下のＭＲＡＭセルでは、上記の相反要求を満足するセル設計が非常に困難になると考えられている。そこで次に、低磁界で反転可能なソフト磁性層５とΔＥの大きなハード磁性層７を静磁気的に結合したナノ構造強磁性体多層膜パターンに対し、膜面垂直電流路（ＣＰＰ）に対する磁気抵抗特性を詳しく調べた結果を説明する。 As a next-generation nonvolatile memory device, research on MRAM (Magnetic RAM) capable of high-speed operation in the order of nanoseconds has been actively conducted. The material and shape of the MRAM cell must be designed to satisfy the conflicting requirements of reducing the magnetization reversal field H swt and ensuring information stability (potential barrier ΔE) against thermal disturbance. When bidirectional stability of the cell is realized by shape magnetic anisotropy, ΔE is proportional to the square of the cell thickness t, and H swt is proportional to 1 / t. For this reason, in an MRAM cell of 70 nm or less, it is considered that it is very difficult to design a cell that satisfies the above conflicting requirements. Therefore, next, a magnetic structure with respect to the film surface perpendicular current path (CPP) is applied to the nanostructured ferromagnetic multilayer pattern in which the soft magnetic layer 5 that can be reversed by a low magnetic field and the hard magnetic layer 7 having a large ΔE are magnetostatically coupled. The result of examining the resistance characteristics in detail will be described.
金属多層膜で構成されるＣＰＰ−ＧＭＲ素子は、素子抵抗が著しく小さい。したがって、精確な磁気抵抗特性を調べるためには、電極抵抗をできるだけ低減しなければならない。そこで２段階イオンミリングにより図１４に示すような細線クロスコンタクト構造ＣＰＰ−ＧＭＲ素子を作製し、電極の微細化を実現した。この方法では、上下電極細線の交差部に自己整合的にＣＰＰ ｐｉｌｌａｒが形成されるため、高度な位置合わせ技術を用いずにｓｕｂ−μｍ２スケールの多層膜パターンのＭＲ特性が測定できる。なお図１４に示すような直流四端子法により素子の磁気抵抗測定を行った。 A CPP-GMR element composed of a metal multilayer film has an extremely low element resistance. Therefore, in order to investigate accurate magnetoresistance characteristics, the electrode resistance must be reduced as much as possible. Therefore, a thin line cross-contact structure CPP-GMR element as shown in FIG. 14 was fabricated by two-step ion milling to realize miniaturization of the electrode. In this method, since the CPP pillar is formed in a self-aligned manner at the intersection of the upper and lower electrode thin wires, the MR characteristics of the sub-μm 2 scale multilayer film pattern can be measured without using an advanced alignment technique. Note that the magnetoresistance of the element was measured by a DC four-terminal method as shown in FIG.
図１５および図１６にパタンサイズＳ＝０．４×０．４μｍ２および０．４×２．０μｍ２、層構成［Ｃｏ（１０ｎｍ）／Ｃｕ（４ｎｍ）／Ｃｏ（２ｎｍ）／Ｃｕ（１０ｎｍ）］３のＭＲ曲線を示す。図１５に示した素子抵抗の大きさは、各層のバルク抵抗および界面抵抗から計算した多層膜の抵抗とほぼ一致しており、電極抵抗の影響なく測定できていると考えられる。このとき、２５．７％と比較的大きなＭＲ変化率が得られた。また、図中矢印で示す箇所でＭＲ曲線が不連続に変化している様子がわかる。これは、各磁性層の磁化反転にともない他の磁性層が受けるフリンジ磁界が変化し、各層の見かけ上の磁化反転磁界が変化したことに起因すると考えられる。図１６では、ＭＲ下降部において６段階の不連続変化が見られる。マイクロマグネティックスシミュレーションとの比較の結果、これはｔ＝１０ｎｍのＣｏ層の反転過程において、層間の静磁的結合を反映した準安定状態が形成されたためと考えられる。次にＣｏに比べ保磁力が低いＮｉＦｅを磁性層として用いた試料のＭＲ曲線を図１７に示す。磁化反転磁界Ｈswtは１桁程度低減された一方、素子抵抗の増加を反映してＭＲ変化率は小さくなった。 FIG. 15 and FIG. 16 show pattern sizes S = 0.4 × 0.4 μm 2 and 0.4 × 2.0 μm 2 , layer structure [Co (10 nm) / Cu (4 nm) / Co (2 nm) / Cu (10 nm) ] Shows the MR curve of 3. The magnitude of the element resistance shown in FIG. 15 is almost the same as the resistance of the multilayer film calculated from the bulk resistance and interface resistance of each layer, and is considered to be able to be measured without the influence of the electrode resistance. At this time, a relatively large MR change rate of 25.7% was obtained. It can also be seen that the MR curve changes discontinuously at the locations indicated by the arrows in the figure. This is considered to be because the fringing magnetic field received by the other magnetic layers changes with the magnetization reversal of each magnetic layer, and the apparent magnetization reversal magnetic field of each layer changes. In FIG. 16, 6 steps of discontinuous changes are seen in the MR descending portion. As a result of comparison with the micromagnetic simulation, it is considered that a metastable state reflecting the magnetostatic coupling between layers was formed in the inversion process of the Co layer of t = 10 nm. Next, FIG. 17 shows an MR curve of a sample using NiFe having a lower coercive force than Co as a magnetic layer. While the magnetization reversal field H swt was reduced by about an order of magnitude, the MR change rate was reduced reflecting the increase in element resistance.
日本の基幹産業の一つである半導体デバイス産業は、その主力製品であるＤＲＡＭがすでに性能限界に達しようとしており、付加価値を有する新たな機能デバイスを模索している。低スイッチング・高情報安定性を有する機能分担型強磁性複合膜をＭＲＡＭの記憶セル材料に用いることにより、Gbiｔ/ｃｍ2級の超高記憶密度が実現可能となる。これにより、広大な市場規模を有する半導体メモリ（ＤＲＡＭ：揮発メモリ）を磁性ランダムアクセスメモリ(ＭＲＡＭ：不揮発メモリ)で置き換えることが可能となる。特に、不揮発メモリの記憶密度向上にはセルサイズの縮小が不可欠であるが、この観点からも極微記憶セルにおいて、記録情報の安定性と動作消費電力の低減を達成しうる本発明の産業上の利用可能性は高い。 The semiconductor device industry, one of the key industries in Japan, has already reached its performance limit with its main product, DRAM, and is looking for new functional devices with added value. By using a function-sharing ferromagnetic composite film having low switching and high information stability as a memory cell material for MRAM, an ultrahigh storage density of Gbit / cm 2 class can be realized. Thereby, it is possible to replace a semiconductor memory (DRAM: volatile memory) having a vast market scale with a magnetic random access memory (MRAM: nonvolatile memory). In particular, reduction of the cell size is indispensable for improving the storage density of the non-volatile memory. From this point of view, in the micro storage cell, the stability of the recorded information and the reduction of the operation power consumption can be achieved. The availability is high.
１ セル
２ フリー層
３ 非磁性層
４ ピン層
５ ソフト磁性層
６ 非磁性層
７ ハード非磁性層
８ 強磁性層
９ 非磁性層
１０ 強磁性層
１１ 反強磁性層
1 cell 2 free layer 3 nonmagnetic layer 4 pinned layer 5 soft magnetic layer 6 nonmagnetic layer 7 hard nonmagnetic layer 8 ferromagnetic layer 9 nonmagnetic layer 10 ferromagnetic layer 11 antiferromagnetic layer
Claims (6)
前記フリー層が、一軸磁気異方性Ｋｕの大きさが異なる二つの強磁性層とこれを分離する非磁性層とから構成され、前記二つの強磁性層が前記非磁性層を介して静磁気結合しており、しかも前記二つの前記強磁性層のうち外側に位置するソフト磁性層の飽和磁化Ｍ1及び層厚ｔ1と前記二つの前記強磁性層のうち内側に位置するハード磁性層の飽和磁化Ｍ2及び層厚t2がＭ1t1＞Ｍ2t2の条件を充たし、かつ前記ソフト磁性層の一軸磁気異方性エネルギーＫｕ1と前記ハード磁性層の一軸磁気異方性エネルギーＫｕ2が、Ｋｕ1＜104 erg/ｃｍ3，104 erg/ｃｍ3＜Ｋｕ2＜107 erg/ｃｍ3であることを特徴とする磁性ランダムアクセスメモリセル。 A magnetic random access memory cell having a structure in which a pinned layer, a main nonmagnetic layer, and a free layer are laminated,
The free layer is composed of two ferromagnetic layers having different uniaxial magnetic anisotropies Ku and a nonmagnetic layer separating them, and the two ferromagnetic layers are magnetostatic through the nonmagnetic layer. In addition, the saturation magnetization M 1 and the layer thickness t 1 of the soft magnetic layer located outside of the two ferromagnetic layers and the hard magnetic layer located inside of the two ferromagnetic layers are coupled. Saturation magnetization M 2 and layer thickness t 2 satisfy the condition of M 1 t 1 > M 2 t 2 , and uniaxial magnetic anisotropy energy Ku 1 of the soft magnetic layer and uniaxial magnetic anisotropy energy of the hard magnetic layer A magnetic random access memory cell, wherein Ku 2 is Ku 1 <10 4 erg / cm 3 , 10 4 erg / cm 3 <Ku 2 <10 7 erg / cm 3 .
前記フリー層が、一軸磁気異方性Ｋｕの大きさが異なり且つ導電性を有する二つの強磁性層とこれを分離する導電性を有する非磁性層とから構成され、前記二つの強磁性層が前記非磁性層を介して静磁気結合しており、しかも前記二つの前記強磁性層のうち外側に位置するソフト磁性層の飽和磁化Ｍ1及び層厚ｔ1と前記二つの前記強磁性層のうち内側に位置するハード磁性層の飽和磁化Ｍ2及び層厚t2がＭ1t1＞Ｍ2t2の条件を充たし、かつ前記ソフト磁性層の一軸磁気異方性エネルギーＫｕ1と前記ハード磁性層の一軸磁気異方性エネルギーＫｕ2が、Ｋｕ1＜104 erg/ｃｍ3，104 erg/ｃｍ3＜Ｋｕ2＜107 erg/ｃｍ3であることを特徴とする磁性ランダムアクセスメモリセル。 A magnetic random access memory cell having a structure in which a pinned layer, a main nonmagnetic layer, and a free layer are laminated,
The free layer is composed of two ferromagnetic layers having different uniaxial magnetic anisotropies Ku and having conductivity and a nonmagnetic layer having conductivity separating the two, and the two ferromagnetic layers are The saturation magnetization M 1 and layer thickness t 1 of the soft magnetic layer that is magnetostatically coupled through the nonmagnetic layer and is located outside the two ferromagnetic layers, and the two ferromagnetic layers Among them, the saturation magnetization M 2 and the layer thickness t 2 of the hard magnetic layer located inside satisfy the condition of M 1 t 1 > M 2 t 2 , and the uniaxial magnetic anisotropy energy Ku 1 of the soft magnetic layer and the hard Magnetic random access memory characterized in that uniaxial magnetic anisotropy energy Ku 2 of the magnetic layer is Ku 1 <10 4 erg / cm 3 , 10 4 erg / cm 3 <Ku 2 <10 7 erg / cm 3 cell.
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