磁気メモリセル及びランダムアクセスメモリ
【課題】信頼性の高い低消費電力不揮発性メモリを提供する。
【解決手段】磁気メモリセルを構成する巨大磁気抵抗効果素子やトンネル磁気抵抗効果素子４０２の強磁性固定層２０２の磁化方向と反平行又は平行に磁化された強磁性配線１０１を記録層である強磁性自由層２００に非磁性層４０１を介して接続させ、スピントランスファートルクにより記録層の磁化反転を行う。
【解決手段】磁気メモリセルを構成する巨大磁気抵抗効果素子やトンネル磁気抵抗効果素子４０２の強磁性固定層２０２の磁化方向と反平行又は平行に磁化された強磁性配線１０１を記録層である強磁性自由層２００に非磁性層４０１を介して接続させ、スピントランスファートルクにより記録層の磁化反転を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果素子を装備した磁気メモリセル及びランダムアクセスメモリに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高集積磁気メモリの記録再生セルに出力の大きなトンネル磁気抵抗効果素子を適用することが試みられている。トンネル磁気抵抗効果素子としては、絶縁体にＡｌの酸化物を用いたトンネル磁気抵抗効果素子や絶縁膜に酸化マグネシウムを用いたトンネル磁気抵抗効果素子が開示されている（T. Miyazaki and N. Tezuka, J. Magn. Magn. Mater. 139, L231 (1995)，S. Yuasa. et al., Nature Material 3, 868(2004)）。従来の不揮発性磁気メモリは、ＭＯＳＦＥＴ上にトンネル磁気抵抗効果素子を形成したメモリセルにより構成される。スイッチングにＭＯＳＦＥＴを利用し、ビット線とワード線に通電させることにより発生する電流誘起の空間磁場を使ってトンネル磁気抵抗効果素子の磁化方向を回転させて情報を書込み、トンネル磁気抵抗効果素子の出力電圧により情報を読み出す方式である。また、上記電流誘起の空間磁場を使った磁化回転のほかに、直接、磁気抵抗効果素子に電流を流すことにより磁化を回転させるいわゆるスピントランスファートルク磁化反転方式があり、例えば米国特許第５，６９５，８６４号明細書や特開２００２−３０５３３７号公報に開示されている。
【０００３】
【非特許文献１】J. Magn. Magn. Mater. 139, L231 (1995)
【非特許文献２】Nature Material 3, 868(2004)
【非特許文献３】Appl.Phys.Lett.85,5358-5360(2004)
【特許文献１】米国特許第５，６９５，８６４号明細書
【特許文献２】特開２００２−３０５３３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
スピントランスファートルク磁化反転による書込み方式は、図２０に示すように、一般的なメモリの書込み動作時間である１０ナノ秒以下においては、スピントランスファートルク磁化反転の閾値電流が大幅に増大し、磁化反転に誤りが生じることが知られている。図２０（ａ）は、Appl. Phys. Lett. 85, 5358-5360 (2004)から引用した書込み電流に対する反転確率のプロット図である。この図から反転確率が０，１にならない領域が存在し、且つ書込み時間の短い領域で、反転確率を１にする書込み電流の値が著しく増大していることがわかる。図２０（ｂ）は、書込み時間に対する書込み電流の大きさを示した図であり、１０ナノ秒以下の書込み時間において、書込み電流が増大することがわかる。図２０（ｃ）は、書込み電流に対して書込み確率をプロットした図であり、書込み確率が０，１にならない電流領域（Ｉ1以上Ｉ2以下）が存在することがわかる。
【０００５】
磁気メモリの情報の書込みは、通常１０ナノ秒以下の時間において行われる必要がある。低消費電力かつ高信頼性をもつ高集積不揮発性磁気メモリの実現には、そのような短い時間においてトンネル磁気抵抗効果素子の記録層の磁化を低電流で誤りなく確実に反転させる必要がある。
【０００６】
本発明は、このような要請に応えることのできる磁気メモリセル及びランダムアクセスメモリを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明では、磁気メモリセルを構成する巨大磁気抵抗効果素子やトンネル磁気抵抗効果素子の強磁性固定層の磁化方向に対して所定の角度に磁化された強磁性配線を記録層である強磁性自由層に非磁性層を介して接続させ、スピントランスファートルクにより記録層の磁化反転を行う。また、強磁性配線と分離して非磁性層に接続する非磁性配線を具備し、強磁性配線と非磁性配線に非磁性層を介して電流を流す手段を具備し、適当な電流パルス信号あるいは高周波電流を印加した状態でスピントランスファートルクにより記録層の磁化反転を行う。
【０００８】
本発明による磁気メモリセルは、第一の非磁性膜を挟んで形成された強磁性自由層と強磁性固定層とを有する磁気抵抗効果素子と、磁気抵抗効果素子の膜厚方向に電流を流すための電極と、強磁性自由層に接続された第二の非磁性層と、第二の非磁性層に接続する強磁性配線とを有し、磁気抵抗効果素子に電流を流してスピントランスファートルクによって前記強磁性自由層の磁化を反転させて情報の書き込みを行う。
【０００９】
第１の態様の磁気メモリセルでは、強磁性配線を介して前記磁気抵抗効果素子に電流を流す。また、第２の態様の磁気メモリセルでは、第二の非磁性層に接続する非磁性配線、及び前記非磁性配線と前記強磁性配線との間に電流を流す手段を有する。
【００１０】
強磁性自由層が単層の強磁性膜からなる場合には、強磁性配線の磁化方向は強磁性固定層の磁化方向と反平行であるのが好ましい。また、強磁性自由層が積層フェリ構造を有する積層膜である場合には、強磁性配線の磁化方向は強磁性固定層の磁化方向と平行であるのが好ましい。
【００１１】
本発明によるランダムアクセスメモリは、第一の非磁性膜を挟んで形成された強磁性自由層と強磁性固定層を有する磁気抵抗効果素子、及び前記磁気抵抗効果素子の膜厚方向に電流を流すための電極を各々備える磁気メモリセルが２次元アレイ状に配列された磁気メモリセル群と、磁気メモリセル群の中の所望の磁気メモリセルを選択する選択手段と、２次元アレイを構成する磁気メモリセルの一列毎に、当該列に属する複数の磁気メモリセルに含まれる複数の強磁性自由層の磁化容易軸方向に平行になるように配置された複数の強磁性配線とを有し、強磁性配線は、第二の非磁性層を介して各列に属する複数の磁気メモリセルの強磁性自由層に接続され、選択手段によって選択された磁気メモリセルに電流を流し、スピントランスファートルクによって当該メモリセルが有する磁気抵抗効果素子の強磁性自由層の磁化を反転させて情報の書き込みを行う。
【００１２】
第１の態様のランダムアクセスメモリは、強磁性配線を介して磁気抵抗効果素子に電流を流す。また、第２の態様のランダムアクセスメモリは、強磁性配線と平行に配置されて第二の非磁性層に接続する非磁性配線、及び非磁性配線と強磁性配線との間に電流を流す手段を有する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によると、スピントランスファートルクによる書き込み電流を低減して、書き込みの誤り率を低減することができ、信頼性の高い低消費電力不揮発性メモリを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下では、磁気抵抗効果素子としてトンネル磁気抵抗効果素子を用いる例によって本発明を説明するが、トンネル磁気抵抗効果素子の代わりに巨大磁気抵抗効果素子を用いても同様の効果を得ることができる。
【００１５】
図１は、トンネル磁気抵抗効果素子を搭載した本発明による磁気メモリセルの構成例を示す概略図である。Ｃ−ＭＯＳ ５００は、２つのｎ型半導体４１０，４１３と一つのｐ型半導体４１１からなる。ｎ型半導体４１３に接続されたドレイン電極４１４は、電極４１５，４１６を介して接地されている。ｎ型半導体４１０にはソース電極４０９が接続されている。ゲート電極４１２のＯＮ／ＯＦＦにより、ソース電極４０９とドレイン電極４１４の間に流れる電流のＯＮ／ＯＦＦが制御される。ソース電極４０９に電極４０８〜４０５が積層され、電極４０３を介してトンネル磁気抵抗効果素子４０２が接続されている。電極４０５と電極４０３の間には何層かの電極が存在してもかまわない。非磁性層４０１がトンネル磁気抵抗効果素子４０２に接続されているが、非磁性層４０１に強磁性自由層が直接接続されていることが望ましい。
【００１６】
本発明の磁気メモリセルは、更に非磁性層４０１に接続する強磁性配線１０１を有する。強磁性配線１０１は、磁気メモリセルのビット線１００と積層の配線を構成していることが望ましいが、強磁性配線１０１をそのままビット線として使用することも可能である。強磁性配線１０１は、ＣｏＦｅ，ＮｉＦｅ，ＣｏＦｅＢなどのようなＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉなどの強磁性元素を含む材料が使用される。磁気メモリセルへの情報書き込みに当たっては、ゲート電極４１２をＯＮすると、スピントランスファートルクを発生させる電流が、非磁性層４０１と電極４０３の間のトンネル磁気抵抗効果素子４０２に流れる。スピントランスファートルクは、強磁性自由層、絶縁障壁層、強磁性固定層で構成されるトンネル磁気抵抗効果素子に電流を流すことで発生し、強磁性自由層の磁化を反転させる作用を有する。情報の読み出しは、強磁性自由層と強磁性固定層の磁化方向の相対角度で生ずるトンネル磁気抵抗効果を検出することにより行う。
【００１７】
図２は図１に示した磁気メモリセルの主要部分を取り出して示した模式図であり、図２（ａ）は平面模式図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ断面模式図である。図示した例では、電極４０６〜４０３上に強磁性固定層２０２、絶縁障壁層２０１、強磁性自由層２００からなるトンネル磁気抵抗効果素子４０２が積層されている。強磁性自由層２００の上に非磁性層４０１が形成され、強磁性配線１０１が非磁性層４０１に接続されている。
【００１８】
ここで強磁性自由層２００が単層の強磁性膜で形成されているときの強磁性配線１０１と強磁性固定層２０２の磁化方向について図１７（ａ）を用いて述べる。図１７（ａ）に示したθ1が、強磁性配線１０１の磁化方向と強磁性固定層２０２の磁化方向がなす角度を表す。θ1は、強磁性配線１０１と強磁性固定層２０２の磁化が反平行配列をとるときに０度と定義される。−９０°≦θ1≦９０°のときにスピントランスファートルクによる書込み電流の低減と書込み誤り率を大幅に低減できる。特にθ1を０度に配置するときに最大の効果が得られる。次に、強磁性自由層２００が、積層フェリ構造である場合について、図１７（ｂ）を用いて述べる。この場合、図１７（ｂ）に示したθ2が、強磁性配線１０１の磁化方向と強磁性固定層２０２の磁化方向がなす角度を表す。θ2は、強磁性配線１０１と強磁性固定層２０２の磁化が平行配列をとるときに０度と定義される。この場合には、−９０°≦θ2≦９０°のときにスピントランスファートルクによる書込み電流の低減と書込み誤り率を大幅に低減でき、特にθを０度に配置することが最も望ましい。ここで、積層フェリ構造とは、強磁性層／非磁性層／強磁性層の３層から成り、２層の強磁性層の磁化が反平行結合する構造をいう。
【００１９】
ここで、本発明のように強磁性自由層に非磁性層を介して強磁性配線を接続し、その磁化方向を強磁性固定層に対して適当な相対角を作ることによってスピントランスファートルク磁化反転の書込み電流の低減と書込み誤り率の低減を達成できる理由について図１８を用いて述べる。図１８（ａ）は、強磁性自由層の磁化の歳差運動の様子の一例を示す。図１８（ａ）のｚ軸方向が、強磁性自由層の磁化容易軸を示し、矢印６００は、強磁性自由層の磁化のベクトルを表す。通常のスピントランスファートルク磁化反転の場合、磁化反転閾値電流値の大きさの電流を印加した直後、図１８（ａ）のように強磁性自由層の磁化６００はｚ軸方向（自由層の容易軸方向）の周りに軌跡６０１に沿った歳差運動を始め、その後軌跡６０２に沿ってｚ軸方向の正座標から負座標へと反転にいたる。しかし、この初期の歳差運動の振幅や位相が安定しないと強磁性自由層の磁化６００は、軌跡６０２に沿う運動を実現できず、ｚ軸正座標方向から負座標方向に反転ができない場合が生じる。初期の歳差運動の振幅や位相の安定性は確率的であるため、つまりはスピントランスファートルクによる磁化反転が確率的に発生してしまう。
【００２０】
そこで、本発明のように強磁性自由層に非磁性層を介して強磁性配線を接続し、その磁化方向を強磁性固定層に対して適当な相対角（図１７参照）にすると、スピントランスファートルク磁化反転の確率を増大させることが期待できる。この理由は以下である。強磁性自由層に非磁性層を介して強磁性配線を接続し、その磁化方向を強磁性固定層に対して適当な相対角とすると非磁性層内にスピン流が発生し、そのスピン流が強磁性自由層へ伝播作用し、強磁性自由層の歳差運動を安定化させることができる。その歳差運動が安定している状態のときに、非磁性層４０１と電極４０３の間のトンネル磁気抵抗効果素子４０２に電流を流し、強いスピントランスファートルクを作用させると、閾値電流が低減し、且つ反転の確率を増大させることが可能となる。図１８（ｂ）は、強磁性自由層の歳差運動を安定させ、非磁性層４０１と電極４０３の間のトンネル磁気抵抗効果素子４０２に電流を流し、強いスピントランスファートルクを作用させる場合の説明図を示す。ここで、ｍxは、図１８（ａ）に示すように強磁性自由層の磁化のベクトルのｘ座標成分を示す。Ｉ1、Ｉ2、はそれぞれ図１５（ａ）、（ｂ）に示した電流を示す。まず、Ｉ1を図１８（ｂ）２段目の図のように流し、その後しばらくして図１８（ｂ）の３段目のようにＩ2を印加する。Ｉ1を流すことにより、図１８（ａ）のようにｍxは周期性の良好な振動を描き安定な歳差運動が可能となる。
【００２１】
図３は、図１に示した磁気メモリセルにおいて、強磁性配線１０１と非磁性層４０１の間に絶縁層１０２を挟んだ構成例を示す。絶縁層１０２は、強磁性配線１０１から非磁性層４０１に注入されるスピン流の大きさを増大させることと、効率のよいスピンを選択的に注入することを可能とする。ここで、効率がよいという意味は、スピン分極の大きいスピンにより構成されるスピン流という意味である。スピン分極率の大きいスピン流により強磁性自由層２００の歳差運動をより安定化でき、ひいては閾値電流の更なる低減が可能となる。絶縁層１０２は、ＭｇＯ、ＡｌＯ、ＳｉＯ2のような酸化物により構成されるが、ＧａＡｓやＺｎＳｅなどの半導体材料、ＡｌＮ、ＳｉＮなどの窒化物を用いてもよい。特に、絶縁層１０２にＭｇＯを用いた場合、強磁性配線１０１にはＣｏＦｅＢを用いることが望ましい。絶縁層１０２の膜厚は、絶縁層１０２を介した電流がトンネル的電流として発生する３ｎｍ以下の膜厚に設定されることが望ましい。
【００２２】
図４は図３に示した磁気メモリセルの主要部分を取り出して示した模式図であり、図４（ａ）は平面模式図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ断面模式図である。図示した例では、電極４０６〜４０３上に強磁性固定層２０２、絶縁障壁層２０１、強磁性自由層２００からなるトンネル磁気抵抗効果素子４０２が積層されている。強磁性自由層２００の上に非磁性層４０１が形成され、強磁性配線１０１が絶縁層１０２を介して非磁性層４０１に接続されている。
【００２３】
図５は、図３に示した磁気メモリセルにおいて、さらに強磁性自由層２００と非磁性層４０１の間に絶縁層１０４を備えた構成例を示す。本構成例を用いることにより、強磁性自由層２００に伝播作用するスピン流の大きさを、より増大させることができ、強磁性自由層２００の磁化の歳差運動をより安定化でき、ひいては閾値電流の更なる低減が可能となる。絶縁層１０４の材料、膜厚については絶縁層１０２と同様である。
【００２４】
図６は図５に示した磁気メモリセルの主要部分を取り出して示した模式図であり、図６（ａ）は平面模式図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＢ−Ｂ断面模式図である。図示した例では、電極４０６〜４０３上に強磁性固定層２０２、絶縁障壁層２０１、強磁性自由層２００からなるトンネル磁気抵抗効果素子４０２が積層されている。強磁性自由層２００の上に非磁性層４０１が絶縁層１０４を介して形成され、強磁性配線１０１が絶縁層１０２を介して非磁性層４０１に接続されている。
【００２５】
図７は、図１〜図６に示した磁気メモリセルを複数個アレイ状に配置して構成した本発明による磁気ランダムアクセスメモリの構成例を示す図であり、各配線や層を１００ｎｍ以下にすることによりギガビット級の容量をもつ磁気ランダムアクセスメモリが実現可能になる。ゲート電極４１２とビット線１００がメモリセルに電気的に接続されている。ビット線１００を制御するドライバーとしてビット線ドライバー１００１が設置され、ゲート電極４１２を制御するドライバーとしてゲートドライバー１００２が設置されている。
【００２６】
図８は、本発明による磁気メモリセルの他の構成例を示す図である。本実施例の磁気メモリセルは、図１に示した磁気メモリセルにおいて、さらに非磁性配線１０３を非磁性層４０１に接続させ、強磁性配線１０１と非磁性配線１０３の間に電流を流す機能を有するという点で図１に示した磁気メモリセルと異なる。
【００２７】
図９は図８に示した磁気メモリセルの主要部分を取り出して示した模式図であり、図９（ａ）は平面模式図、図９（ｂ）は図９（ａ）のＡ−Ｂ断面模式図である。図示した例では、電極４０６〜４０３上に強磁性固定層２０２、絶縁障壁層２０１、強磁性自由層２００からなるトンネル磁気抵抗効果素子４０２が積層されている。強磁性自由層２００の上に非磁性層４０１が形成され、強磁性配線１０１が非磁性層４０１に接続されている。さらに、非磁性配線１０３が、非磁性層４０１に強磁性配線１０１と分離して接続されている。
【００２８】
図１０は、図８に示した磁気メモリセルにおいて、強磁性配線１０１が新たに設けた絶縁層１０２を介して非磁性層４０１に接続した構成を示す。
【００２９】
図１１は図１０に示した磁気メモリセルの主要部分を取り出して示した模式図であり、図１１（ａ）は平面模式図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＢ−Ｂ断面模式図である。図示した例では、電極４０６〜４０３上に強磁性固定層２０２、絶縁障壁層２０１、強磁性自由層２００からなるトンネル磁気抵抗効果素子４０２が積層されている。強磁性自由層２００の上に非磁性層４０１が形成され、強磁性配線１０１が絶縁層１０２を介して非磁性層４０１に接続されている。さらに、非磁性配線１０３が、非磁性層４０１に強磁性配線１０１と分離して接続されている。非磁性配線１０３の材料としては、例えばＣｕやＡｌなどの電気抵抗の小さくかつプロセス耐性の大きい材料を用いることができる。
【００３０】
図１２は、図１０に示した磁気メモリセルにおいて、非磁性層４０１と強磁性自由層２００の間に新たに絶縁層１０３を設けた構成を示す。
【００３１】
図１３は図１２に示した磁気メモリセルの主要部分を取り出して示した模式図であり、図１３（ａ）は平面模式図、図１３（ｂ）は図１３（ａ）のＢ−Ｂ断面模式図である。図示した例では、電極４０６〜４０３上に強磁性固定層２０２、絶縁障壁層２０１、強磁性自由層２００からなるトンネル磁気抵抗効果素子４０２が積層されている。強磁性自由層２００の上に絶縁層１０３を介して非磁性層４０１が形成され、強磁性配線１０１が絶縁層１０２を介して非磁性層４０１に接続されている。さらに、非磁性配線１０３が、非磁性層４０１に強磁性配線１０１と分離して接続されている。
【００３２】
図１４は、図８〜図１３に示した磁気メモリセルを複数個アレイ状に配置して構成した本発明による磁気ランダムアクセスメモリの構成例を示す図であり、各配線や層を１００ｎｍ以下にすることによりギガビット級の容量をもつ磁気ランダムアクセスメモリが実現可能になる。ゲート電極４１２とビット線１００がメモリセルに電気的に接続されている。ビット線１００を制御するドライバーとしてビット線ドライバー１００１が設置され、ゲート電極４１２を制御するドライバーとしてゲートドライバー１００２が設置されている。本実施例に示したランダムアクセスメモリでは、非磁性配線１０３を制御するドライバー１００３が新たに具備される。
【００３３】
ここで、図８〜図１３に示した磁気メモリセル及び図１４に示した磁気ランダムアクセスメモリにおいて、書込み電流制御の一例を図１５と図１６を用いて説明する。ここでは、強磁性自由層２００が単層の強磁性層で構成される場合を示した。
【００３４】
まず図１５（ａ）により、強磁性自由層２００と強磁性固定層２０２の磁化方向がスピントランスファートルクにより平行から反平行にスイッチする場合を説明する。強磁性配線１０１と強磁性固定層２０２の磁化方向は反平行となっている。すなわち、図１７のθ1が０度の場合である。電流Ｉ1は、強磁性配線１０１から非磁性層４１０を通って非磁性配線１０３に流れる電流を示す。電流Ｉ1は、ビット線ドライバー１００１とドライバー１００３を動作させることにより制御する。電流Ｉ2は、強磁性配線１０１から非磁性層４０１を通過してトンネル磁気抵抗効果素子４０２に流す電流を示す。あるいは、非磁性配線１０３から非磁性層４０１を通過して、トンネル磁気抵抗効果素子４０２に流してもよい。電流Ｉ2は、電流Ｉ1と独立分離してトンネル磁気抵抗効果素子４０２に流れることが重要であり、Ｉ2が強磁性自由層２００のスピントランスファートルク磁化反転を起こす原因となる電流として作用する。電流Ｉ2の制御は、ゲートドライバー１００２とビット線ドライバー１００１及びドライバー１００３の電圧関係を調整して行われる。
【００３５】
次に、電流Ｉ1とＩ2の電流印加のタイミングの一例を図１５（ｂ）、（ｃ）に示す。まずは、図１５（ｂ）に示した例を説明する。強磁性自由層２００がスピントランスファートルクにより磁化反転する閾値電流以下の電流Ｉ1を与え、その直後に電流Ｉ2を流す。電流Ｉ2を印加するタイミングは、電流Ｉ1を印加後１ｎｓ以内が望ましい。はじめのＩ1の電流印加は、ビット線ドライバーとドライバー１００３に電圧差を発生させて図１５（ａ）の矢印６０３の方向に電流を発生させる。電流Ｉ2は、ゲートドライバー１００２を開くことにより、トンネル磁気抵抗効果４０２への電流パス（矢印６０４）が発生するようになる。
【００３６】
他の電流印加のタイミング例を図１５（ｃ）に示す。この場合、強磁性自由層２００がスピントランスファートルクにより磁化反転する閾値電流以下の振幅を有する電流Ｉ1を交流により常時与え、磁化反転を行いたい適当な時間のときに電流Ｉ2を流す。交流の周波数としては１ＧＨｚ以上が望ましい。特に、電流Ｉ2を流すタイミングは、電流Ｉ1の振幅が最大となるときが望ましい。図１６は、強磁性自由層２００の磁化方向を強磁性固定層２０２の磁化方向に対して反平行から平行にスイッチする場合を説明したものであり、電流の向きを図１５と逆に設定して、図１５と同様の制御を行う。
【００３７】
図１９は、本発明の磁気メモリセルに用いられる強磁性自由層２００と強磁性固定層２０２に用いられる材料の例について示した図である。強磁性自由層２００及び強磁性固定層２０２には、ＣｏＦｅＢ，ＣｏＦｅ，ＣｏＢ，ＣｏＦｅ，Ｃｏ，Ｆｅ，ＮｉＦｅなどの磁性材料を単層で用いることができる。また、強磁性自由層２００及び強磁性固定層２０２は、それぞれ第一の強磁性層２１０と第二の強磁性層２１１、第三の強磁性層２１２と第四の強磁性層２１３を、図１９に示した材料の組み合わせに従って、反平行結合するＲｕなどの中間層２１４を選択して３層の構成で使用してもかまわない。絶縁障壁層２０１には、酸化マグネシウム，アルミニウム酸化物、酸化シリコンなどの材料を用いることができる。
【００３８】
本発明によると、信頼性の高い低消費電力不揮発性メモリを実現することが可能であり、従来構造に比べて、閾値電流密度が５分の１、書込みエラー率の一桁低減が可能である。本発明によると、ギガビット級の高密度磁気メモリを実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明による磁気メモリセルの構成例を示す概略図。
【図２】図１に示した磁気メモリセルの主要部分を取り出して示した模式図。
【図３】本発明による磁気メモリセルの構成例を示す概略図。
【図４】図３に示した磁気メモリセルの主要部分を取り出して示した模式図。
【図５】本発明による磁気メモリセルの構成例を示す概略図。
【図６】図５に示した磁気メモリセルの主要部分を取り出して示した模式図。
【図７】本発明による磁気ランダムアクセスメモリの構成例を示す図。
【図８】本発明による磁気メモリセルの構成例を示す概略図。
【図９】図８に示した磁気メモリセルの主要部分を取り出して示した模式図。
【図１０】本発明による磁気メモリセルの構成例を示す概略図。
【図１１】図１０に示した磁気メモリセルの主要部分を取り出して示した模式図。
【図１２】本発明による磁気メモリセルの構成例を示す概略図。
【図１３】図１２に示した磁気メモリセルの主要部分を取り出して示した模式図。
【図１４】本発明による磁気ランダムアクセスメモリの構成例を示す図。
【図１５】書込み電流と書込み時間の関係を示した図。
【図１６】書込み電流と書込み時間の関係を示した図。
【図１７】強磁性配線と強磁性固定層の磁化配列の例を示した図。
【図１８】磁化歳差運動と電流印加のタイミングを説明した図。
【図１９】強磁性自由層と強磁性固定層に用いられる材料の例について示した図。
【図２０】スピントランスファートルク磁化反転による書込み方式の問題点を説明する図。
【符号の説明】
【００４０】
１０１…強磁性配線、１０２…絶縁層、１０３…非磁性配線、１０４…絶縁層、２００…強磁性自由層、２０１…絶縁膜、２０２…強磁性固定層、４０１…非磁性層、４０２…磁気抵抗効果素子、４０３〜４０８…電極、４０９…ソース電極、４１２…ゲート電極、４１４…ドレイン電極、５００…トランジスタ、１００１…ビット線ドライバー、１００２…ゲートドライバー、１００３…電流制御ドライバー、２１０…強磁性自由層、２１１…強磁性固定層、２１２…強磁性固定層、２１３…強磁性固定層、２１４…中間層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果素子を装備した磁気メモリセル及びランダムアクセスメモリに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高集積磁気メモリの記録再生セルに出力の大きなトンネル磁気抵抗効果素子を適用することが試みられている。トンネル磁気抵抗効果素子としては、絶縁体にＡｌの酸化物を用いたトンネル磁気抵抗効果素子や絶縁膜に酸化マグネシウムを用いたトンネル磁気抵抗効果素子が開示されている（T. Miyazaki and N. Tezuka, J. Magn. Magn. Mater. 139, L231 (1995)，S. Yuasa. et al., Nature Material 3, 868(2004)）。従来の不揮発性磁気メモリは、ＭＯＳＦＥＴ上にトンネル磁気抵抗効果素子を形成したメモリセルにより構成される。スイッチングにＭＯＳＦＥＴを利用し、ビット線とワード線に通電させることにより発生する電流誘起の空間磁場を使ってトンネル磁気抵抗効果素子の磁化方向を回転させて情報を書込み、トンネル磁気抵抗効果素子の出力電圧により情報を読み出す方式である。また、上記電流誘起の空間磁場を使った磁化回転のほかに、直接、磁気抵抗効果素子に電流を流すことにより磁化を回転させるいわゆるスピントランスファートルク磁化反転方式があり、例えば米国特許第５，６９５，８６４号明細書や特開２００２−３０５３３７号公報に開示されている。
【０００３】
【非特許文献１】J. Magn. Magn. Mater. 139, L231 (1995)
【非特許文献２】Nature Material 3, 868(2004)
【非特許文献３】Appl.Phys.Lett.85,5358-5360(2004)
【特許文献１】米国特許第５，６９５，８６４号明細書
【特許文献２】特開２００２−３０５３３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
スピントランスファートルク磁化反転による書込み方式は、図２０に示すように、一般的なメモリの書込み動作時間である１０ナノ秒以下においては、スピントランスファートルク磁化反転の閾値電流が大幅に増大し、磁化反転に誤りが生じることが知られている。図２０（ａ）は、Appl. Phys. Lett. 85, 5358-5360 (2004)から引用した書込み電流に対する反転確率のプロット図である。この図から反転確率が０，１にならない領域が存在し、且つ書込み時間の短い領域で、反転確率を１にする書込み電流の値が著しく増大していることがわかる。図２０（ｂ）は、書込み時間に対する書込み電流の大きさを示した図であり、１０ナノ秒以下の書込み時間において、書込み電流が増大することがわかる。図２０（ｃ）は、書込み電流に対して書込み確率をプロットした図であり、書込み確率が０，１にならない電流領域（Ｉ1以上Ｉ2以下）が存在することがわかる。
【０００５】
磁気メモリの情報の書込みは、通常１０ナノ秒以下の時間において行われる必要がある。低消費電力かつ高信頼性をもつ高集積不揮発性磁気メモリの実現には、そのような短い時間においてトンネル磁気抵抗効果素子の記録層の磁化を低電流で誤りなく確実に反転させる必要がある。
【０００６】
本発明は、このような要請に応えることのできる磁気メモリセル及びランダムアクセスメモリを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明では、磁気メモリセルを構成する巨大磁気抵抗効果素子やトンネル磁気抵抗効果素子の強磁性固定層の磁化方向に対して所定の角度に磁化された強磁性配線を記録層である強磁性自由層に非磁性層を介して接続させ、スピントランスファートルクにより記録層の磁化反転を行う。また、強磁性配線と分離して非磁性層に接続する非磁性配線を具備し、強磁性配線と非磁性配線に非磁性層を介して電流を流す手段を具備し、適当な電流パルス信号あるいは高周波電流を印加した状態でスピントランスファートルクにより記録層の磁化反転を行う。
【０００８】
本発明による磁気メモリセルは、第一の非磁性膜を挟んで形成された強磁性自由層と強磁性固定層とを有する磁気抵抗効果素子と、磁気抵抗効果素子の膜厚方向に電流を流すための電極と、強磁性自由層に接続された第二の非磁性層と、第二の非磁性層に接続する強磁性配線とを有し、磁気抵抗効果素子に電流を流してスピントランスファートルクによって前記強磁性自由層の磁化を反転させて情報の書き込みを行う。
【０００９】
第１の態様の磁気メモリセルでは、強磁性配線を介して前記磁気抵抗効果素子に電流を流す。また、第２の態様の磁気メモリセルでは、第二の非磁性層に接続する非磁性配線、及び前記非磁性配線と前記強磁性配線との間に電流を流す手段を有する。
【００１０】
強磁性自由層が単層の強磁性膜からなる場合には、強磁性配線の磁化方向は強磁性固定層の磁化方向と反平行であるのが好ましい。また、強磁性自由層が積層フェリ構造を有する積層膜である場合には、強磁性配線の磁化方向は強磁性固定層の磁化方向と平行であるのが好ましい。
【００１１】
本発明によるランダムアクセスメモリは、第一の非磁性膜を挟んで形成された強磁性自由層と強磁性固定層を有する磁気抵抗効果素子、及び前記磁気抵抗効果素子の膜厚方向に電流を流すための電極を各々備える磁気メモリセルが２次元アレイ状に配列された磁気メモリセル群と、磁気メモリセル群の中の所望の磁気メモリセルを選択する選択手段と、２次元アレイを構成する磁気メモリセルの一列毎に、当該列に属する複数の磁気メモリセルに含まれる複数の強磁性自由層の磁化容易軸方向に平行になるように配置された複数の強磁性配線とを有し、強磁性配線は、第二の非磁性層を介して各列に属する複数の磁気メモリセルの強磁性自由層に接続され、選択手段によって選択された磁気メモリセルに電流を流し、スピントランスファートルクによって当該メモリセルが有する磁気抵抗効果素子の強磁性自由層の磁化を反転させて情報の書き込みを行う。
【００１２】
第１の態様のランダムアクセスメモリは、強磁性配線を介して磁気抵抗効果素子に電流を流す。また、第２の態様のランダムアクセスメモリは、強磁性配線と平行に配置されて第二の非磁性層に接続する非磁性配線、及び非磁性配線と強磁性配線との間に電流を流す手段を有する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によると、スピントランスファートルクによる書き込み電流を低減して、書き込みの誤り率を低減することができ、信頼性の高い低消費電力不揮発性メモリを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下では、磁気抵抗効果素子としてトンネル磁気抵抗効果素子を用いる例によって本発明を説明するが、トンネル磁気抵抗効果素子の代わりに巨大磁気抵抗効果素子を用いても同様の効果を得ることができる。
【００１５】
図１は、トンネル磁気抵抗効果素子を搭載した本発明による磁気メモリセルの構成例を示す概略図である。Ｃ−ＭＯＳ ５００は、２つのｎ型半導体４１０，４１３と一つのｐ型半導体４１１からなる。ｎ型半導体４１３に接続されたドレイン電極４１４は、電極４１５，４１６を介して接地されている。ｎ型半導体４１０にはソース電極４０９が接続されている。ゲート電極４１２のＯＮ／ＯＦＦにより、ソース電極４０９とドレイン電極４１４の間に流れる電流のＯＮ／ＯＦＦが制御される。ソース電極４０９に電極４０８〜４０５が積層され、電極４０３を介してトンネル磁気抵抗効果素子４０２が接続されている。電極４０５と電極４０３の間には何層かの電極が存在してもかまわない。非磁性層４０１がトンネル磁気抵抗効果素子４０２に接続されているが、非磁性層４０１に強磁性自由層が直接接続されていることが望ましい。
【００１６】
本発明の磁気メモリセルは、更に非磁性層４０１に接続する強磁性配線１０１を有する。強磁性配線１０１は、磁気メモリセルのビット線１００と積層の配線を構成していることが望ましいが、強磁性配線１０１をそのままビット線として使用することも可能である。強磁性配線１０１は、ＣｏＦｅ，ＮｉＦｅ，ＣｏＦｅＢなどのようなＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉなどの強磁性元素を含む材料が使用される。磁気メモリセルへの情報書き込みに当たっては、ゲート電極４１２をＯＮすると、スピントランスファートルクを発生させる電流が、非磁性層４０１と電極４０３の間のトンネル磁気抵抗効果素子４０２に流れる。スピントランスファートルクは、強磁性自由層、絶縁障壁層、強磁性固定層で構成されるトンネル磁気抵抗効果素子に電流を流すことで発生し、強磁性自由層の磁化を反転させる作用を有する。情報の読み出しは、強磁性自由層と強磁性固定層の磁化方向の相対角度で生ずるトンネル磁気抵抗効果を検出することにより行う。
【００１７】
図２は図１に示した磁気メモリセルの主要部分を取り出して示した模式図であり、図２（ａ）は平面模式図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ断面模式図である。図示した例では、電極４０６〜４０３上に強磁性固定層２０２、絶縁障壁層２０１、強磁性自由層２００からなるトンネル磁気抵抗効果素子４０２が積層されている。強磁性自由層２００の上に非磁性層４０１が形成され、強磁性配線１０１が非磁性層４０１に接続されている。
【００１８】
ここで強磁性自由層２００が単層の強磁性膜で形成されているときの強磁性配線１０１と強磁性固定層２０２の磁化方向について図１７（ａ）を用いて述べる。図１７（ａ）に示したθ1が、強磁性配線１０１の磁化方向と強磁性固定層２０２の磁化方向がなす角度を表す。θ1は、強磁性配線１０１と強磁性固定層２０２の磁化が反平行配列をとるときに０度と定義される。−９０°≦θ1≦９０°のときにスピントランスファートルクによる書込み電流の低減と書込み誤り率を大幅に低減できる。特にθ1を０度に配置するときに最大の効果が得られる。次に、強磁性自由層２００が、積層フェリ構造である場合について、図１７（ｂ）を用いて述べる。この場合、図１７（ｂ）に示したθ2が、強磁性配線１０１の磁化方向と強磁性固定層２０２の磁化方向がなす角度を表す。θ2は、強磁性配線１０１と強磁性固定層２０２の磁化が平行配列をとるときに０度と定義される。この場合には、−９０°≦θ2≦９０°のときにスピントランスファートルクによる書込み電流の低減と書込み誤り率を大幅に低減でき、特にθを０度に配置することが最も望ましい。ここで、積層フェリ構造とは、強磁性層／非磁性層／強磁性層の３層から成り、２層の強磁性層の磁化が反平行結合する構造をいう。
【００１９】
ここで、本発明のように強磁性自由層に非磁性層を介して強磁性配線を接続し、その磁化方向を強磁性固定層に対して適当な相対角を作ることによってスピントランスファートルク磁化反転の書込み電流の低減と書込み誤り率の低減を達成できる理由について図１８を用いて述べる。図１８（ａ）は、強磁性自由層の磁化の歳差運動の様子の一例を示す。図１８（ａ）のｚ軸方向が、強磁性自由層の磁化容易軸を示し、矢印６００は、強磁性自由層の磁化のベクトルを表す。通常のスピントランスファートルク磁化反転の場合、磁化反転閾値電流値の大きさの電流を印加した直後、図１８（ａ）のように強磁性自由層の磁化６００はｚ軸方向（自由層の容易軸方向）の周りに軌跡６０１に沿った歳差運動を始め、その後軌跡６０２に沿ってｚ軸方向の正座標から負座標へと反転にいたる。しかし、この初期の歳差運動の振幅や位相が安定しないと強磁性自由層の磁化６００は、軌跡６０２に沿う運動を実現できず、ｚ軸正座標方向から負座標方向に反転ができない場合が生じる。初期の歳差運動の振幅や位相の安定性は確率的であるため、つまりはスピントランスファートルクによる磁化反転が確率的に発生してしまう。
【００２０】
そこで、本発明のように強磁性自由層に非磁性層を介して強磁性配線を接続し、その磁化方向を強磁性固定層に対して適当な相対角（図１７参照）にすると、スピントランスファートルク磁化反転の確率を増大させることが期待できる。この理由は以下である。強磁性自由層に非磁性層を介して強磁性配線を接続し、その磁化方向を強磁性固定層に対して適当な相対角とすると非磁性層内にスピン流が発生し、そのスピン流が強磁性自由層へ伝播作用し、強磁性自由層の歳差運動を安定化させることができる。その歳差運動が安定している状態のときに、非磁性層４０１と電極４０３の間のトンネル磁気抵抗効果素子４０２に電流を流し、強いスピントランスファートルクを作用させると、閾値電流が低減し、且つ反転の確率を増大させることが可能となる。図１８（ｂ）は、強磁性自由層の歳差運動を安定させ、非磁性層４０１と電極４０３の間のトンネル磁気抵抗効果素子４０２に電流を流し、強いスピントランスファートルクを作用させる場合の説明図を示す。ここで、ｍxは、図１８（ａ）に示すように強磁性自由層の磁化のベクトルのｘ座標成分を示す。Ｉ1、Ｉ2、はそれぞれ図１５（ａ）、（ｂ）に示した電流を示す。まず、Ｉ1を図１８（ｂ）２段目の図のように流し、その後しばらくして図１８（ｂ）の３段目のようにＩ2を印加する。Ｉ1を流すことにより、図１８（ａ）のようにｍxは周期性の良好な振動を描き安定な歳差運動が可能となる。
【００２１】
図３は、図１に示した磁気メモリセルにおいて、強磁性配線１０１と非磁性層４０１の間に絶縁層１０２を挟んだ構成例を示す。絶縁層１０２は、強磁性配線１０１から非磁性層４０１に注入されるスピン流の大きさを増大させることと、効率のよいスピンを選択的に注入することを可能とする。ここで、効率がよいという意味は、スピン分極の大きいスピンにより構成されるスピン流という意味である。スピン分極率の大きいスピン流により強磁性自由層２００の歳差運動をより安定化でき、ひいては閾値電流の更なる低減が可能となる。絶縁層１０２は、ＭｇＯ、ＡｌＯ、ＳｉＯ2のような酸化物により構成されるが、ＧａＡｓやＺｎＳｅなどの半導体材料、ＡｌＮ、ＳｉＮなどの窒化物を用いてもよい。特に、絶縁層１０２にＭｇＯを用いた場合、強磁性配線１０１にはＣｏＦｅＢを用いることが望ましい。絶縁層１０２の膜厚は、絶縁層１０２を介した電流がトンネル的電流として発生する３ｎｍ以下の膜厚に設定されることが望ましい。
【００２２】
図４は図３に示した磁気メモリセルの主要部分を取り出して示した模式図であり、図４（ａ）は平面模式図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ断面模式図である。図示した例では、電極４０６〜４０３上に強磁性固定層２０２、絶縁障壁層２０１、強磁性自由層２００からなるトンネル磁気抵抗効果素子４０２が積層されている。強磁性自由層２００の上に非磁性層４０１が形成され、強磁性配線１０１が絶縁層１０２を介して非磁性層４０１に接続されている。
【００２３】
図５は、図３に示した磁気メモリセルにおいて、さらに強磁性自由層２００と非磁性層４０１の間に絶縁層１０４を備えた構成例を示す。本構成例を用いることにより、強磁性自由層２００に伝播作用するスピン流の大きさを、より増大させることができ、強磁性自由層２００の磁化の歳差運動をより安定化でき、ひいては閾値電流の更なる低減が可能となる。絶縁層１０４の材料、膜厚については絶縁層１０２と同様である。
【００２４】
図６は図５に示した磁気メモリセルの主要部分を取り出して示した模式図であり、図６（ａ）は平面模式図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＢ−Ｂ断面模式図である。図示した例では、電極４０６〜４０３上に強磁性固定層２０２、絶縁障壁層２０１、強磁性自由層２００からなるトンネル磁気抵抗効果素子４０２が積層されている。強磁性自由層２００の上に非磁性層４０１が絶縁層１０４を介して形成され、強磁性配線１０１が絶縁層１０２を介して非磁性層４０１に接続されている。
【００２５】
図７は、図１〜図６に示した磁気メモリセルを複数個アレイ状に配置して構成した本発明による磁気ランダムアクセスメモリの構成例を示す図であり、各配線や層を１００ｎｍ以下にすることによりギガビット級の容量をもつ磁気ランダムアクセスメモリが実現可能になる。ゲート電極４１２とビット線１００がメモリセルに電気的に接続されている。ビット線１００を制御するドライバーとしてビット線ドライバー１００１が設置され、ゲート電極４１２を制御するドライバーとしてゲートドライバー１００２が設置されている。
【００２６】
図８は、本発明による磁気メモリセルの他の構成例を示す図である。本実施例の磁気メモリセルは、図１に示した磁気メモリセルにおいて、さらに非磁性配線１０３を非磁性層４０１に接続させ、強磁性配線１０１と非磁性配線１０３の間に電流を流す機能を有するという点で図１に示した磁気メモリセルと異なる。
【００２７】
図９は図８に示した磁気メモリセルの主要部分を取り出して示した模式図であり、図９（ａ）は平面模式図、図９（ｂ）は図９（ａ）のＡ−Ｂ断面模式図である。図示した例では、電極４０６〜４０３上に強磁性固定層２０２、絶縁障壁層２０１、強磁性自由層２００からなるトンネル磁気抵抗効果素子４０２が積層されている。強磁性自由層２００の上に非磁性層４０１が形成され、強磁性配線１０１が非磁性層４０１に接続されている。さらに、非磁性配線１０３が、非磁性層４０１に強磁性配線１０１と分離して接続されている。
【００２８】
図１０は、図８に示した磁気メモリセルにおいて、強磁性配線１０１が新たに設けた絶縁層１０２を介して非磁性層４０１に接続した構成を示す。
【００２９】
図１１は図１０に示した磁気メモリセルの主要部分を取り出して示した模式図であり、図１１（ａ）は平面模式図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＢ−Ｂ断面模式図である。図示した例では、電極４０６〜４０３上に強磁性固定層２０２、絶縁障壁層２０１、強磁性自由層２００からなるトンネル磁気抵抗効果素子４０２が積層されている。強磁性自由層２００の上に非磁性層４０１が形成され、強磁性配線１０１が絶縁層１０２を介して非磁性層４０１に接続されている。さらに、非磁性配線１０３が、非磁性層４０１に強磁性配線１０１と分離して接続されている。非磁性配線１０３の材料としては、例えばＣｕやＡｌなどの電気抵抗の小さくかつプロセス耐性の大きい材料を用いることができる。
【００３０】
図１２は、図１０に示した磁気メモリセルにおいて、非磁性層４０１と強磁性自由層２００の間に新たに絶縁層１０３を設けた構成を示す。
【００３１】
図１３は図１２に示した磁気メモリセルの主要部分を取り出して示した模式図であり、図１３（ａ）は平面模式図、図１３（ｂ）は図１３（ａ）のＢ−Ｂ断面模式図である。図示した例では、電極４０６〜４０３上に強磁性固定層２０２、絶縁障壁層２０１、強磁性自由層２００からなるトンネル磁気抵抗効果素子４０２が積層されている。強磁性自由層２００の上に絶縁層１０３を介して非磁性層４０１が形成され、強磁性配線１０１が絶縁層１０２を介して非磁性層４０１に接続されている。さらに、非磁性配線１０３が、非磁性層４０１に強磁性配線１０１と分離して接続されている。
【００３２】
図１４は、図８〜図１３に示した磁気メモリセルを複数個アレイ状に配置して構成した本発明による磁気ランダムアクセスメモリの構成例を示す図であり、各配線や層を１００ｎｍ以下にすることによりギガビット級の容量をもつ磁気ランダムアクセスメモリが実現可能になる。ゲート電極４１２とビット線１００がメモリセルに電気的に接続されている。ビット線１００を制御するドライバーとしてビット線ドライバー１００１が設置され、ゲート電極４１２を制御するドライバーとしてゲートドライバー１００２が設置されている。本実施例に示したランダムアクセスメモリでは、非磁性配線１０３を制御するドライバー１００３が新たに具備される。
【００３３】
ここで、図８〜図１３に示した磁気メモリセル及び図１４に示した磁気ランダムアクセスメモリにおいて、書込み電流制御の一例を図１５と図１６を用いて説明する。ここでは、強磁性自由層２００が単層の強磁性層で構成される場合を示した。
【００３４】
まず図１５（ａ）により、強磁性自由層２００と強磁性固定層２０２の磁化方向がスピントランスファートルクにより平行から反平行にスイッチする場合を説明する。強磁性配線１０１と強磁性固定層２０２の磁化方向は反平行となっている。すなわち、図１７のθ1が０度の場合である。電流Ｉ1は、強磁性配線１０１から非磁性層４１０を通って非磁性配線１０３に流れる電流を示す。電流Ｉ1は、ビット線ドライバー１００１とドライバー１００３を動作させることにより制御する。電流Ｉ2は、強磁性配線１０１から非磁性層４０１を通過してトンネル磁気抵抗効果素子４０２に流す電流を示す。あるいは、非磁性配線１０３から非磁性層４０１を通過して、トンネル磁気抵抗効果素子４０２に流してもよい。電流Ｉ2は、電流Ｉ1と独立分離してトンネル磁気抵抗効果素子４０２に流れることが重要であり、Ｉ2が強磁性自由層２００のスピントランスファートルク磁化反転を起こす原因となる電流として作用する。電流Ｉ2の制御は、ゲートドライバー１００２とビット線ドライバー１００１及びドライバー１００３の電圧関係を調整して行われる。
【００３５】
次に、電流Ｉ1とＩ2の電流印加のタイミングの一例を図１５（ｂ）、（ｃ）に示す。まずは、図１５（ｂ）に示した例を説明する。強磁性自由層２００がスピントランスファートルクにより磁化反転する閾値電流以下の電流Ｉ1を与え、その直後に電流Ｉ2を流す。電流Ｉ2を印加するタイミングは、電流Ｉ1を印加後１ｎｓ以内が望ましい。はじめのＩ1の電流印加は、ビット線ドライバーとドライバー１００３に電圧差を発生させて図１５（ａ）の矢印６０３の方向に電流を発生させる。電流Ｉ2は、ゲートドライバー１００２を開くことにより、トンネル磁気抵抗効果４０２への電流パス（矢印６０４）が発生するようになる。
【００３６】
他の電流印加のタイミング例を図１５（ｃ）に示す。この場合、強磁性自由層２００がスピントランスファートルクにより磁化反転する閾値電流以下の振幅を有する電流Ｉ1を交流により常時与え、磁化反転を行いたい適当な時間のときに電流Ｉ2を流す。交流の周波数としては１ＧＨｚ以上が望ましい。特に、電流Ｉ2を流すタイミングは、電流Ｉ1の振幅が最大となるときが望ましい。図１６は、強磁性自由層２００の磁化方向を強磁性固定層２０２の磁化方向に対して反平行から平行にスイッチする場合を説明したものであり、電流の向きを図１５と逆に設定して、図１５と同様の制御を行う。
【００３７】
図１９は、本発明の磁気メモリセルに用いられる強磁性自由層２００と強磁性固定層２０２に用いられる材料の例について示した図である。強磁性自由層２００及び強磁性固定層２０２には、ＣｏＦｅＢ，ＣｏＦｅ，ＣｏＢ，ＣｏＦｅ，Ｃｏ，Ｆｅ，ＮｉＦｅなどの磁性材料を単層で用いることができる。また、強磁性自由層２００及び強磁性固定層２０２は、それぞれ第一の強磁性層２１０と第二の強磁性層２１１、第三の強磁性層２１２と第四の強磁性層２１３を、図１９に示した材料の組み合わせに従って、反平行結合するＲｕなどの中間層２１４を選択して３層の構成で使用してもかまわない。絶縁障壁層２０１には、酸化マグネシウム，アルミニウム酸化物、酸化シリコンなどの材料を用いることができる。
【００３８】
本発明によると、信頼性の高い低消費電力不揮発性メモリを実現することが可能であり、従来構造に比べて、閾値電流密度が５分の１、書込みエラー率の一桁低減が可能である。本発明によると、ギガビット級の高密度磁気メモリを実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明による磁気メモリセルの構成例を示す概略図。
【図２】図１に示した磁気メモリセルの主要部分を取り出して示した模式図。
【図３】本発明による磁気メモリセルの構成例を示す概略図。
【図４】図３に示した磁気メモリセルの主要部分を取り出して示した模式図。
【図５】本発明による磁気メモリセルの構成例を示す概略図。
【図６】図５に示した磁気メモリセルの主要部分を取り出して示した模式図。
【図７】本発明による磁気ランダムアクセスメモリの構成例を示す図。
【図８】本発明による磁気メモリセルの構成例を示す概略図。
【図９】図８に示した磁気メモリセルの主要部分を取り出して示した模式図。
【図１０】本発明による磁気メモリセルの構成例を示す概略図。
【図１１】図１０に示した磁気メモリセルの主要部分を取り出して示した模式図。
【図１２】本発明による磁気メモリセルの構成例を示す概略図。
【図１３】図１２に示した磁気メモリセルの主要部分を取り出して示した模式図。
【図１４】本発明による磁気ランダムアクセスメモリの構成例を示す図。
【図１５】書込み電流と書込み時間の関係を示した図。
【図１６】書込み電流と書込み時間の関係を示した図。
【図１７】強磁性配線と強磁性固定層の磁化配列の例を示した図。
【図１８】磁化歳差運動と電流印加のタイミングを説明した図。
【図１９】強磁性自由層と強磁性固定層に用いられる材料の例について示した図。
【図２０】スピントランスファートルク磁化反転による書込み方式の問題点を説明する図。
【符号の説明】
【００４０】
１０１…強磁性配線、１０２…絶縁層、１０３…非磁性配線、１０４…絶縁層、２００…強磁性自由層、２０１…絶縁膜、２０２…強磁性固定層、４０１…非磁性層、４０２…磁気抵抗効果素子、４０３〜４０８…電極、４０９…ソース電極、４１２…ゲート電極、４１４…ドレイン電極、５００…トランジスタ、１００１…ビット線ドライバー、１００２…ゲートドライバー、１００３…電流制御ドライバー、２１０…強磁性自由層、２１１…強磁性固定層、２１２…強磁性固定層、２１３…強磁性固定層、２１４…中間層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の非磁性膜と、前記第一の非磁性膜を挟んで形成された強磁性自由層と強磁性固定層とを有する磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子の膜厚方向に電流を流すための電極と、
前記強磁性自由層に接続された第二の非磁性層と、
前記第二の非磁性層に接続する強磁性配線とを有し、
前記磁気抵抗効果素子に電流を流してスピントランスファートルクによって前記強磁性自由層の磁化を反転させて情報の書き込みを行うことを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項２】
請求項１記載の磁気メモリセルにおいて、前記強磁性配線を介して前記磁気抵抗効果素子に電流を流すことを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項３】
請求項１記載の磁気メモリセルにおいて、前記第二の非磁性層に接続する非磁性配線、及び前記非磁性配線と前記強磁性配線との間に電流を流す手段を更に有することを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項４】
請求項１記載の磁気メモリセルにおいて、前記強磁性自由層は単層の強磁性膜からなり、前記強磁性配線の磁化方向が前記強磁性固定層の磁化方向と反平行であることを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項５】
請求項１記載の磁気メモリセルにおいて、前記強磁性自由層は積層フェリ構造を有する積層膜であり、前記強磁性配線の磁化方向が前記強磁性固定層の磁化方向と平行であることを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項６】
請求項１記載の磁気メモリセルにおいて、前記第一の非磁性膜は絶縁膜であることを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項７】
請求項１記載の磁気メモリセルにおいて、前記強磁性配線は絶縁膜を介して前記第二の非磁性層に接続していることを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項８】
請求項１記載の磁気メモリセルにおいて、前記強磁性自由層は、第一の絶縁膜を介して前記第二の非磁性層に接続し、前記強磁性配線は、第二の絶縁膜を介して前記第二の非磁性層に接続していることを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項９】
請求項１記載の磁気メモリセルにおいて、前記磁気抵抗効果素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子を有することを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項１０】
第一の非磁性膜を挟んで形成された強磁性自由層と強磁性固定層を有する磁気抵抗効果素子、及び前記磁気抵抗効果素子の膜厚方向に電流を流すための電極を各々備える磁気メモリセルが２次元アレイ状に配列された磁気メモリセル群と、
前記磁気メモリセル群の中の所望の磁気メモリセルを選択する選択手段と、
前記２次元アレイを構成する磁気メモリセルの一列毎に、当該列に属する複数の磁気メモリセルに含まれる複数の強磁性自由層の磁化容易軸方向に平行になるように配置された複数の強磁性配線とを有し、
前記強磁性配線は、第二の非磁性層を介して各列に属する複数の磁気メモリセルの前記強磁性自由層に接続され、
前記選択手段によって選択された磁気メモリセルに電流を流し、スピントランスファートルクによって当該メモリセルが有する磁気抵抗効果素子の強磁性自由層の磁化を反転させて情報の書き込みを行うことを特徴とするランダムアクセスメモリ。
【請求項１１】
請求項１０記載のランダムアクセスメモリにおいて、前記強磁性配線を介して前記磁気抵抗効果素子に電流を流すことを特徴とするランダムアクセスメモリ。
【請求項１２】
請求項１０記載のランダムアクセスメモリにおいて、前記強磁性配線と平行に配置されて前記第二の非磁性層に接続する非磁性配線、及び前記非磁性配線と前記強磁性配線との間に電流を流す手段を更に有することを特徴とするランダムアクセスメモリ。
【請求項１３】
請求項１０記載のランダムアクセスメモリにおいて、前記強磁性自由層は単層の強磁性膜からなり、前記強磁性配線の磁化方向が前記強磁性固定層の磁化方向と反平行であることを特徴とするランダムアクセスメモリ。
【請求項１４】
請求項１０記載のランダムアクセスメモリにおいて、前記強磁性自由層は積層フェリ構造を有する積層膜であり、前記強磁性配線の磁化方向が前記強磁性固定層の磁化方向と平行であることを特徴とするランダムアクセスメモリ。
【請求項１５】
請求項１０記載のランダムアクセスメモリにおいて、前記第一の非磁性膜は絶縁膜であることを特徴とするランダムアクセスメモリ。
【請求項１６】
請求項１０記載のランダムアクセスメモリにおいて、前記強磁性配線は絶縁膜を介して第二の非磁性層に接続していることを特徴とするランダムアクセスメモリ。
【請求項１７】
請求項１０記載のランダムアクセスメモリにおいて、前記強磁性自由層は、第一の絶縁膜を介して前記第二の非磁性層に接続し、前記強磁性配線は、第二の絶縁膜を介して前記第二の非磁性層に接続していることを特徴とするランダムアクセスメモリ。
【請求項１８】
請求項１０記載のランダムアクセスメモリにおいて、前記選択手段は前記磁気抵抗効果素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子を有することを特徴とするランダムアクセスメモリ。
【請求項１】
第一の非磁性膜と、前記第一の非磁性膜を挟んで形成された強磁性自由層と強磁性固定層とを有する磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子の膜厚方向に電流を流すための電極と、
前記強磁性自由層に接続された第二の非磁性層と、
前記第二の非磁性層に接続する強磁性配線とを有し、
前記磁気抵抗効果素子に電流を流してスピントランスファートルクによって前記強磁性自由層の磁化を反転させて情報の書き込みを行うことを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項２】
請求項１記載の磁気メモリセルにおいて、前記強磁性配線を介して前記磁気抵抗効果素子に電流を流すことを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項３】
請求項１記載の磁気メモリセルにおいて、前記第二の非磁性層に接続する非磁性配線、及び前記非磁性配線と前記強磁性配線との間に電流を流す手段を更に有することを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項４】
請求項１記載の磁気メモリセルにおいて、前記強磁性自由層は単層の強磁性膜からなり、前記強磁性配線の磁化方向が前記強磁性固定層の磁化方向と反平行であることを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項５】
請求項１記載の磁気メモリセルにおいて、前記強磁性自由層は積層フェリ構造を有する積層膜であり、前記強磁性配線の磁化方向が前記強磁性固定層の磁化方向と平行であることを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項６】
請求項１記載の磁気メモリセルにおいて、前記第一の非磁性膜は絶縁膜であることを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項７】
請求項１記載の磁気メモリセルにおいて、前記強磁性配線は絶縁膜を介して前記第二の非磁性層に接続していることを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項８】
請求項１記載の磁気メモリセルにおいて、前記強磁性自由層は、第一の絶縁膜を介して前記第二の非磁性層に接続し、前記強磁性配線は、第二の絶縁膜を介して前記第二の非磁性層に接続していることを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項９】
請求項１記載の磁気メモリセルにおいて、前記磁気抵抗効果素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子を有することを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項１０】
第一の非磁性膜を挟んで形成された強磁性自由層と強磁性固定層を有する磁気抵抗効果素子、及び前記磁気抵抗効果素子の膜厚方向に電流を流すための電極を各々備える磁気メモリセルが２次元アレイ状に配列された磁気メモリセル群と、
前記磁気メモリセル群の中の所望の磁気メモリセルを選択する選択手段と、
前記２次元アレイを構成する磁気メモリセルの一列毎に、当該列に属する複数の磁気メモリセルに含まれる複数の強磁性自由層の磁化容易軸方向に平行になるように配置された複数の強磁性配線とを有し、
前記強磁性配線は、第二の非磁性層を介して各列に属する複数の磁気メモリセルの前記強磁性自由層に接続され、
前記選択手段によって選択された磁気メモリセルに電流を流し、スピントランスファートルクによって当該メモリセルが有する磁気抵抗効果素子の強磁性自由層の磁化を反転させて情報の書き込みを行うことを特徴とするランダムアクセスメモリ。
【請求項１１】
請求項１０記載のランダムアクセスメモリにおいて、前記強磁性配線を介して前記磁気抵抗効果素子に電流を流すことを特徴とするランダムアクセスメモリ。
【請求項１２】
請求項１０記載のランダムアクセスメモリにおいて、前記強磁性配線と平行に配置されて前記第二の非磁性層に接続する非磁性配線、及び前記非磁性配線と前記強磁性配線との間に電流を流す手段を更に有することを特徴とするランダムアクセスメモリ。
【請求項１３】
請求項１０記載のランダムアクセスメモリにおいて、前記強磁性自由層は単層の強磁性膜からなり、前記強磁性配線の磁化方向が前記強磁性固定層の磁化方向と反平行であることを特徴とするランダムアクセスメモリ。
【請求項１４】
請求項１０記載のランダムアクセスメモリにおいて、前記強磁性自由層は積層フェリ構造を有する積層膜であり、前記強磁性配線の磁化方向が前記強磁性固定層の磁化方向と平行であることを特徴とするランダムアクセスメモリ。
【請求項１５】
請求項１０記載のランダムアクセスメモリにおいて、前記第一の非磁性膜は絶縁膜であることを特徴とするランダムアクセスメモリ。
【請求項１６】
請求項１０記載のランダムアクセスメモリにおいて、前記強磁性配線は絶縁膜を介して第二の非磁性層に接続していることを特徴とするランダムアクセスメモリ。
【請求項１７】
請求項１０記載のランダムアクセスメモリにおいて、前記強磁性自由層は、第一の絶縁膜を介して前記第二の非磁性層に接続し、前記強磁性配線は、第二の絶縁膜を介して前記第二の非磁性層に接続していることを特徴とするランダムアクセスメモリ。
【請求項１８】
請求項１０記載のランダムアクセスメモリにおいて、前記選択手段は前記磁気抵抗効果素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子を有することを特徴とするランダムアクセスメモリ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２００９−１５８８７７（Ｐ２００９−１５８８７７Ａ）
【公開日】平成２１年７月１６日（２００９．７．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３３８５２５（Ｐ２００７−３３８５２５）
【出願日】平成１９年１２月２８日（２００７．１２．２８）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１８年度、文部科学省、高機能・超低消費電力メモリの開発 委託事業、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月１６日（２００９．７．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月２８日（２００７．１２．２８）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１８年度、文部科学省、高機能・超低消費電力メモリの開発 委託事業、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【Ｆターム（参考）】
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