JPWO2009104428A1 - 磁気ランダムアクセスメモリ - Google Patents
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Abstract
Description
1−1.構成
図1A〜図1Dは、本発明の実施の形態に係る第1磁気抵抗素子1の構造を模式的に示している。詳細には、図1Aは斜視図であり、図1B、図1C、及び図1Dは、それぞれ、図1Aに示されるx−y−z座標系におけるx−y平面図、x−z断面図、y−z断面図である。
以下では、磁化自由領域12と第2磁化自由層20の磁気結合、及び第1磁気抵抗素子1において磁化がとり得る2つの状態について、図2A〜図2Cを用いてより詳細に説明する。図2Aは、磁化自由領域12の磁化方向で第2磁化自由層20の磁化方向が一意的に決まることを説明するための模式図である。単純化のため、図2Aにおいて、磁化自由領域12の磁化は、膜厚方向で実質的に一方向を向いているものと仮定されている。図2Aには、磁化自由領域12からの漏れ磁束の様子が模式的に示されている。図2Aに示されているように、漏れ磁束は滑らかに繋がる必要があるため、磁化自由領域12の端部に行くに従って磁束は面内方向に平行な成分を有するようになる。第2磁化自由層20の磁化方向は、この磁束の面内方向に平行な成分によって決定される。
本実施の形態に係る第1磁気抵抗素子1へのデータの書き込みは、第1磁化自由層10内に形成される磁壁を移動させることによって行われる。前述のように、第1磁化自由層10は磁化が膜厚方向で互いに略反平行に固定された第1磁化固定領域11aと第2磁化固定領域11bと、それらに電気的に接続された磁化自由領域12を具備し、磁化自由領域12の磁化は第1磁化固定領域11aか第2磁化固定領域11bのいずれかと略平行方向となる。このような磁化状態の制約によって、第1磁化自由層10内には磁壁が導入される。例えば、磁化自由領域12の磁化が第1磁化固定領域11aの磁化と略平行であり、第2磁化固定領域11bの磁化とは略反平行にあるとき、磁化自由領域12と第2磁化固定領域11bの境界付近に磁壁が形成される。また、磁化自由領域12の磁化が第2磁化固定領域11bの磁化と略平行であり、第1磁化固定領域11aの磁化とは略反平行にあるとき、磁化自由領域12と第1磁化固定領域11aの境界付近に磁壁が形成される。
本実施の形態の第1磁気抵抗素子1の第1の技術的利点は、書き込み電流の低減である。これは、データ書き込みの際に磁壁移動が起こる層である第1磁化自由層10が垂直方向に磁気異方性を有することに起因する。発明者は、スピントランスファートルクを考慮に入れたLLG方程式を用いたマイクロマグネティクス計算を行うことにより、垂直磁気異方性を有する材料で形成される磁壁は面内磁気異方性を有する材料で形成される磁壁に比べると、電流で駆動する場合に必要となる電流密度は十分小さく、一方磁界で駆動する場合に必要となる磁界は十分大きくなることを見出した。Europhysics Letters, vol.69, pp.990−996(2005)に記載されているように、スピントランスファートルクを考慮に入れたLLG方程式によれば、磁化の時間変化(∂m/∂t)は、[1]磁界によるトルクを表す項、[2]ダンピング項、[3]断熱スピントルク項、及び[4]非断熱スピントルク項の和として表される。マイクロマグネティクス計算によれば、垂直磁気異方性を有する材料で形成される磁壁は、1×108[A/cm2]程度の電流密度においても[3]の断熱スピントルク項により駆動され、一方で面内磁化膜の場合には1×108[A/cm2]程度の電流密度では[4]の非断熱スピントルク項がなければ磁壁は駆動されないことがわかった。ここで[3]の断熱スピントルク項による磁壁駆動の場合、過度に大きくないピニングのときには、ピニング磁界に依存せずに磁壁はピンサイトからデピンできることが知られている。従って、[3]の断熱スピントルク項での磁壁駆動が不可能な面内磁気異方性を有する材料に比べて、[3]の断熱スピントルク項での磁壁駆動が可能な垂直磁気異方性を有する材料は、強い磁壁のピニングと低電流密度による磁壁駆動を両立させ易いことがわかる。すなわち垂直磁気異方性を有する材料を用いることにより、熱安定性として十分な値を保った上で書き込みに要する電流を低減することが可能である。
図3A〜図3Cは、第1磁気抵抗素子1の第1変形例を模式的に示している。このうち図3Aは斜視図であり、図3Bは図3Aにおけるx−z断面図、図3Cは図3Aにおけるy−z断面図である。
図4A及び図4Bは、第1磁気抵抗素子1の第2変形例を模式的に示している。図4Aは斜視図を、図4Bはx−y平面図である。
図5A〜図5Cは、第1磁気抵抗素子1の第3変形例を模式的に示している。図5Aは斜視図であり、図5Bはx−z断面図であり、図5Cはy−z断面図である。本実施の形態の第1磁気抵抗素子1においては、第2磁化自由層20、第1非磁性層30、第1磁化固定層40が隣接してこの順に設けられればよく、これらと第1磁化自由層10の積層順には任意性がある。従って、図5A〜図5Cに示されているように、第1磁化自由層10が最上層に形成されてもよい。この場合も、磁化自由領域12と第2磁化自由層20の重心はx−y面内においてずれるが、そのずれ方向には任意性がある。
図6Aは、第1磁気抵抗素子1の第4変形例の構造を模式的に示す平面図である。本実施の形態においては、第2磁化自由層20の重心G20は第1磁化自由層10の磁化自由領域12の重心G12に対して面内方向(x−y平面に平行な方向)で特定方向にずれる。これまでの図ではこの特定方向が+y方向に略平行方向になるものとして描かれているが、この特定の方向は任意に決定され得る。従って図6Aに示されるように当該特定の方向がx成分を有していても構わない。また、第2変形例で説明されたように第1磁化自由層10が三叉路を有している場合、図6Bに示されるような第2磁化自由層20の重心G20と磁化自由領域12の重心G12の位置関係となっていても構わない。
図7は、典型的なMRAMの構成を概略的に示している。MRAMのメモリセルアレイは、マトリックス状に配置された複数のセルを有している。より詳細には、セルには、データ記録用のメモリセルMCと、データ読み出し時にリファレンスレベルを生成するために参照されるリファレンスセルRC0、RC1が含まれる。メモリセルMC、リファレンスセルRC0及びRC1は、同一の構造の磁気抵抗素子を有している。
そこで、本実施の形態によれば、リファレンスセル用に、第1磁気抵抗素子1とは異なる「第2磁気抵抗素子100」が提案される。以下に詳述されるように、第2磁気抵抗素子100の抵抗値は、上記R0とR1の間の中間値(以下、「R0.5」と参照される;図11参照)に固定されている。つまり、第2磁気抵抗素子100は、その抵抗値が単独でR0.5となるようにあらかじめ形成される。そのような第2磁気抵抗素子100をリファレンスセルに適用することによって、リファレンスレベルのばらつきが防止される。
図12Aは、本実施の形態に係る第2磁気抵抗素子100の一例を示す斜視図である。図12Bは、図12Aで示された第2磁気抵抗素子100の磁化状態を示す平面図である。本例に係る第2磁気抵抗素子100は、既出の図8で示された第1磁気抵抗素子1から書き込み層(第1磁化自由層10)が省略されたものと同様の構造を有している。
図13Aは、第2磁気抵抗素子100の他の例を示す斜視図である。図13Bは、図13Aで示された構造のx−y平面図である。本例に係る第2磁気抵抗素子100は、図12A及び図12Bで示された構造に加えて、第1磁気抵抗素子1の書き込み層(第1磁化自由層10)に相当する構造を備えている。但し、第1磁気抵抗素子1では重心が故意にずらされていたが、本例の第2磁気抵抗素子100では重心が一致している。図12A及び図12Bで示された構成と同じ構成には同一の符号が付され、重複する説明は適宜省略される。
図14Aは、第2磁気抵抗素子100の更に他の例を示す斜視図である。図14Bは、図14Aで示された構造のx−y平面図である。本例に係る第2磁気抵抗素子100は、図13A及び図13Bで示された構成要素と同様のものを有する。但し、重心の位置関係が異なっている。図13A及び図13Bで示された構成と同じ構成には同一の符号が付され、重複する説明は適宜省略される。
図15は、本発明の実施の形態に係るMRAMの構成を概略的に示している。MRAMのメモリセルアレイは、マトリックス状に配置された複数のセルを有している。より詳細には、セルには、データ記録用のメモリセルMCと、データ読み出し時にリファレンスレベルを生成するために参照されるリファレンスセルRCが含まれる。本発明によれば、メモリセルMCには第1磁気抵抗素子1が適用される。一方、リファレンスセルRCには、第2磁気抵抗素子100が適用される。
Claims (10)
- 第1磁気抵抗素子を含むメモリセルと、
第2磁気抵抗素子を含み、前記メモリセルからのデータ読み出し時にリファレンスレベルを生成するために参照されるリファレンスセルと
を具備し、
前記第1磁気抵抗素子は、
垂直磁気異方性を有する第1磁化自由層と、
面内磁気異方性を有し、磁化方向が固定された第1磁化固定層と、
面内磁気異方性を有し、磁化方向が可変な第2磁化自由層と、
前記第1磁化固定層と前記第2磁化自由層とに挟まれた第1非磁性層と
を備え、
前記第1磁化自由層は、
磁化方向が固定された第1磁化固定領域と、
磁化方向が固定された第2磁化固定領域と、
前記第1磁化固定領域と前記第2磁化固定領域とに接続され、磁化方向が反転可能な磁化自由領域と
を有し、
前記磁化自由領域と前記第2磁化自由層とは、互いに磁気的に結合しており、
各層に平行な第1平面において、前記第2磁化自由層の重心は、前記磁化自由領域の重心から第1方向にずれており、
前記第2磁気抵抗素子は、
磁化容易軸が第2方向に平行な第3磁化自由層と、
磁化方向が前記第2方向と直交する第3方向に固定された第2磁化固定層と、
前記第3磁化自由層と前記第2磁化固定層とに挟まれた第2非磁性層と
を備え、
前記第3磁化自由層と前記第2磁化固定層は、面内磁気異方性を有する
磁気ランダムアクセスメモリ。 - 請求の範囲1に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記第2磁化自由層の磁化容易軸は前記第1方向と直交しており、
前記第1磁化固定層の磁化方向は前記第1方向と平行あるいは反平行である
磁気ランダムアクセスメモリ。 - 請求の範囲1又は2に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記第3磁化自由層の平面形状の長軸方向は前記第2方向である
磁気ランダムアクセスメモリ。 - 請求の範囲1乃至3のいずれか一項に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記第2磁化自由層と前記第3磁化自由層は同じ層に形成され、
前記第1磁化固定層と前記第2磁化固定層は同じ層に形成され、
前記第1非磁性層と前記第2非磁性層は同じ層に形成された
磁気ランダムアクセスメモリ。 - 請求の範囲1乃至4のいずれか一項に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記第2磁気抵抗素子は、垂直磁気異方性を有する第4磁化自由層を更に備え、
前記第3磁化自由層と前記第4磁化自由層は、互いに磁気的に結合しており、
前記第3磁化自由層の磁化方向は前記第2方向と平行である
磁気ランダムアクセスメモリ。 - 請求の範囲5に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記第1平面において、前記第3磁化自由層の重心は、前記第4磁化自由層の重心と一致している
磁気ランダムアクセスメモリ。 - 請求の範囲5に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記第1平面において、前記第3磁化自由層の重心は、前記第4磁化自由層の重心から前記第2方向にずれている
磁気ランダムアクセスメモリ。 - 請求の範囲5乃至7のいずれか一項に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記第1磁化自由層と前記第4磁化自由層は同じ層に形成され、
前記第2磁化自由層と前記第3磁化自由層は同じ層に形成され、
前記第1磁化固定層と前記第2磁化固定層は同じ層に形成され、
前記第1非磁性層と前記第2非磁性層は同じ層に形成された
磁気ランダムアクセスメモリ。 - 請求の範囲1乃至8のいずれか一項に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記第1磁化固定領域が前記磁化自由領域の一方の端部に隣接して設けられ、
前記第2磁化固定領域が前記磁化自由領域の他方の端部に隣接して設けられる
磁気ランダムアクセスメモリ。 - 請求の範囲1乃至8のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記第1磁化固定領域が前記磁化自由領域の一方の端部に隣接して設けられ、
前記第2磁化固定領域が前記磁化自由領域の前記一方の端部に隣接して設けられ、
前記第1磁化固定領域と前記第2磁化固定領域と前記磁化自由領域とが、三叉路を形成する
磁気ランダムアクセスメモリ。
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