磁気メモリ素子及びその情報の書き込み及び読み取り方法
【課題】磁気メモリ素子及びその情報の書き込み及び読み取り方法を提供する。
【解決手段】反強磁性層上に形成された固定層、情報保存層及び自由層を備え、情報保存層は、ＳＡＦ構造で形成される磁気メモリ素子である。
【解決手段】反強磁性層上に形成された固定層、情報保存層及び自由層を備え、情報保存層は、ＳＡＦ構造で形成される磁気メモリ素子である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気メモリ素子に係り、特にＭＲ（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）の減少を最小化し、かつ臨界電流密度（Ｊｃ）を低めることができる構造の磁気メモリ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
情報産業が発達し、大容量の情報処理が要求されるにつれて、高容量の情報を保存できるデータ記録媒体に関する需要が持続的に増加している。需要の増加によって、データ保存速度が速く、かつ小型の情報記録媒体に関する研究が進められており、結果的に多様な種類の情報保存装置が開発された。
【０００３】
情報保存装置は、揮発性の情報保存装置と不揮発性の情報保存装置とに大別される。揮発性の情報保存装置の場合、電源が遮断されれば、記録された情報がいずれも除去されるが、情報記録及び再生速度が速いという長所がある。不揮発性の情報保存装置の場合、電源が遮断されても記録された情報が除去されない。
【０００４】
揮発性の情報保存装置としては、代表的なものとしてＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）が挙げられる。そして、不揮発性の情報保存装置は、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）及びＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）などがある。不揮発性の情報保存装置の一つの種類である磁気メモリ素子（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ：ＭＲＡＭ）は、スピン依存伝導現象に基づいた磁気抵抗効果を利用したメモリ素子である。
【０００５】
従来の磁気メモリ素子は、ビットライン、ワードラインに流れる電流により発生する磁場を利用して、メモリセルの自由層の磁化方向をスイッチングさせる方式を使用した。しかし、かかる方式は、次のような問題点がある。第１に、高密度のメモリ素子の具現のために単位セルのサイズを縮小させる場合、自由層の保磁力が増加するため、スイッチングフィールドが増加し、したがって、印加電流の大きさが大きくなければならないという問題がある。第２に、メモリアレイ構造で多くのメモリセルを含むため、所望しないセルの自由層もスイッチングが発生する可能性がある。したがって、磁場によるスイッチング方式を利用した磁気メモリ素子は、選択性及び高密度化が困難であるという問題点がある。
【０００６】
これに対し、スピントランスファトルク（Ｓｐｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｔｏｒｑｕｅ：ＳＴＴ）現象を利用した磁気メモリ素子は、集積度、選択性、高い書き込み電流の問題点を解決できるので、最近多くの研究が進められている。この方式は、一方向にスピンが分極化された電流を磁気メモリ素子に流して、電子のスピン伝達を使用して磁気メモリ素子の自由層を所望の方向にスイッチングする方式である。この方式は、セルサイズが小さくなるほど、要求電流が小さくなるので、高密度化に有利である。しかし、ＳＴＴ現象を利用した磁気メモリ素子は、スイッチングに必要な臨界電流密度が商用化するにはまだ高いため、臨界電流を低めるための研究が進められている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、ＭＲ値の減少を最小化でき、かつ臨界電流密度を減少させる新たな構造の磁気メモリ素子及びその情報の書き込み及び読み取り方法を提供するところにある。
【０００８】
本発明の他の目的は、磁気メモリ素子において、固定層、情報保存層及び自由層を備える磁気メモリ素子を提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の目的を達成するために、本発明の一側面において、前記反強磁性層により磁化方向が固定された固定層と、前記固定層上に形成された第１非磁性層と、前記第１非磁性層上に形成された情報保存層と、前記情報保存層上に形成された第２非磁性層と、前記第２非磁性層上に形成されたものであって、磁化方向が変更可能な自由層と、を備える。
【００１０】
本発明の一側面において、前記情報保存層は、ＳＡＦ（Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ）構造で形成される。
【００１１】
本発明の一側面において、前記固定層は、ＳＡＦ構造で形成される。
【００１２】
本発明の一側面において、前記自由層は、ＳＡＦ構造で形成される。
【００１３】
本発明の一側面において、前記ＳＡＦ構造は、強磁性層、中間層及び強磁性層を備える。
【００１４】
本発明の一側面において、前記中間層は、Ｒｕ，ＣｒまたはＣｕで形成される。
【００１５】
本発明の一側面において、前記第１及び第２非磁性層は、ＭｇＯを含んで形成される。
【００１６】
本発明の一側面において、前記反強磁性層は、スイッチ構造体を備える下部構造体上に形成される。
【００１７】
本発明の一側面において、前記自由層上に順次に形成されたビットライン、層間絶縁膜及び書き込みラインをさらに含む。
【００１８】
本発明の一側面において、前記自由層上に形成されたものであって、磁化方向が相異なる少なくとも二つのドメインを含む磁性層をさらに備える。
【００１９】
本発明の実施形態では、固定層、情報保存層及び自由層を備える磁気メモリ素子の情報の書き込み及び読み取り方法において、前記自由層の磁化方向を前記固定層の磁化方向と逆方向に設定した後、前記情報保存層に情報を書き込み、前記自由層の磁化方向を前記固定層の磁化方向と同方向に設定した後、前記情報保存層から情報を読み取る磁気メモリ素子の情報の書き込み及び読み取り方法を提供する。
【００２０】
本発明の一側面において、前記自由層上に形成された書き込みラインをさらに備え、前記書き込みラインに電流を印加して発生した磁場により、前記自由層の磁化方向を変更する。
【００２１】
本発明の一側面において、前記自由層上に形成されたものであって、磁化方向が相異なる少なくとも二つのドメインを含む磁性層をさらに備え、前記磁性層のドメイン障壁を移動させた後、前記自由層の磁化方向を変更する。
【００２２】
本発明の実施形態では、固定層、ＳＡＦ構造の情報保存層及び自由層を備える磁気メモリ素子の情報の書き込み及び読み取り方法において、前記自由層の磁化方向を前記固定層の磁化方向と同方向に設定した後、前記情報保存層に情報を書き込み、前記自由層の磁化方向を前記固定層の磁化方向と逆方向に設定した後、前記情報保存層から情報を読み取る磁気メモリ素子の情報の書き込み及び読み取り方法を提供する。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の実施形態による磁気メモリ素子は、自由層の磁化方向を固定層の磁化方向と同一または逆方向に調節することによって、情報保存層に／から情報を書き込み／読み取り、この過程での臨界電流密度を従来技術による磁気メモリ素子に比べて大きく減少させる。本発明の実施形態によれば、自由層の磁化方向を変更して情報の保存及び再生動作を実施することによって、ＭＲ値の減少を最小化し、かつ臨界電流密度を大きく低めることができ、情報保存層をＳＡＦ構造で形成することによって、外部磁場に対して安定した磁気メモリ素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態による磁気メモリ素子の構造を示す図面である。
【図２】本発明の実施形態による磁気メモリ素子の構造を示す図面である。
【図３Ａ】本発明の実施形態による磁気メモリ素子の駆動方法を示す図面である。
【図３Ｂ】本発明の実施形態による磁気メモリ素子の駆動方法を示す図面である。
【図４】固定層及び情報保存層をＳＡＦ構造で形成した磁気メモリ素子の構造を示す図面である。
【図５】情報保存層及び自由層をＳＡＦ構造で形成した磁気メモリ素子の構造を示す図面である。
【図６】固定層、情報保存層及び自由層をＳＡＦ構造で形成した磁気メモリ素子の構造を示す図面である。
【図７】本発明の具現例による磁気メモリ素子を示す図面である。
【図８】本発明の具現例による磁気メモリ素子を示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、添付された図面を参照して、本発明の実施形態による磁気メモリ素子について詳細に説明する。参考までに、図面に示した各層の厚さ及び幅は、説明のために多少誇張されたことを銘記せねばならない。
【００２６】
図１は、本発明の実施形態による磁気メモリ素子を示す断面図である。
【００２７】
図１に示すように、本発明の実施形態による磁気メモリ素子は、反強磁性層１１上に形成された固定層１２、第１非磁性層１３及び情報保存層１４が形成されている。そして、情報保存層１４上には、順次に形成された第２非磁性層１５及び自由層１６が形成されている。
【００２８】
本発明の実施形態による磁気メモリ素子の各層について記載すれば、次の通りである。反強磁性層１１は、主にＭｎを含む合金を使用して形成され、例えばＩｒＭｎ，ＦｅＭｎ，ＮｉＭｎ合金などを含んで形成される。反強磁性層１１は、スイッチング素子またはスイッチング素子と連結された電極上に形成される。スイッチング素子は、例えばトランジスタ構造体でありうる。固定層１２は、反強磁性層１１により磁化方向が一方向に固定されたものであって、Ｎｉ，ＣｏまたはＦｅを含む強磁性物質で形成され、例えばＮｉＦｅ，ＣｏＦｅ，ＮｉＦｅＢ，ＣｏＦｅＢ，ＮｉＦｅＳｉＢまたはＣｏＦｅＳｉＢなどで形成される。第１非磁性層１３及び第２非磁性層１５は、ＭｇＯで形成される。情報保存層１４及び自由層１６は、磁化方向が変更可能なものであって、Ｎｉ，ＣｏまたはＦｅを含む強磁性物質で形成され、例えばＮｉＦｅ，ＣｏＦｅ，ＮｉＦｅＢ，ＣｏＦｅＢ，ＮｉＦｅＳｉＢまたはＣｏＦｅＳｉＢなどで形成される。
【００２９】
図１に示した本発明の実施形態による磁気メモリ素子の情報の書き込み方法及び読み取り方法について、図３Ａを参照して詳細に説明する。
【００３０】
情報の書き込み方法（ｗｒｉｔｅ）を説明すれば、次の通りである。まず、自由層１６の磁化方向を固定層１２の磁化方向と逆方向に整列させるために、外部から磁場または電界を印加する。この場合、固定層１２は、第１方向の磁化方向を有し、自由層１６は、第２方向の磁化方向を有する。そして、固定層１２または自由層１６の方向から情報保存層１４にスピン分極化された電子を一方向に印加する。固定層１２の方向からスピン分極化された電子を印加する場合、情報保存層１４の磁化方向は、第１方向に整列され、自由層１６の方向からスピン分極化された電子を印加する場合、情報保存層１４の磁化方向は、第２方向に整列される。図３Ａでは、自由層１６の方向からスピン分極化された電子を印加する場合の情報保存層１４のスピン方向を示したものである。結果的に、これによって、情報保存層１４に第１方向または第２方向の情報が保存される。かかる情報の書き込み過程によって、書き込み動作に必要な臨界電流密度を低めることができる。
【００３１】
次いで、情報の読み取り方法（ｒｅａｄ）を説明すれば、次の通りである。まず、自由層１６の磁化方向を固定層１２の磁化方向と同方向に整列させる。そして、情報保存層１４に電流を流して情報保存層１４の抵抗値を測定する。情報保存層１４の磁化方向が固定層１２及び自由層１６の磁化方向と同じ場合、相対的に低い抵抗値が測定される。そして、情報保存層１４の磁化方向が固定層１２及び自由層１６の磁化方向と逆である場合には、相対的に高い抵抗値が測定される。かかる方法により、情報保存層１４の磁化方向、すなわち保存されたデータを読み取ることができる。
【００３２】
結果的に、本発明の実施形態による磁気メモリ素子は、固定層１２上に情報保存層１４及び自由層１６を備えることによって、自由層１６の磁化方向を変更して情報の保存及び再生動作を実施することによって、ＭＲ値の減少を最小化し、かつ臨界電流密度を大きく低めることができるという長所がある。
【００３３】
図２は、本発明の実施形態による磁気メモリ素子において、情報保存層１４をＳＡＦ（Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ）構造で形成させた構造を示す断面図である。
【００３４】
図２に示すように、反強磁性層１１上に固定層１２、第１非磁性層１３及び情報保存層１４が形成されている。そして、情報保存層１４上には、順次に形成された第２非磁性層１５及び自由層１６が形成されている。ここで、情報保存層１４は、ＳＡＦ構造で形成される。すなわち、情報保存層１４は、第１磁性層１４ａ、中間層１４ｂ及び第２磁性層１４ｃが順次に形成された構造でありうる。情報保存層１４をＳＡＦ構造で形成することによって、磁場に対して安定した構造を維持できる。
【００３５】
図２に示した本発明の実施形態による磁気メモリ素子の情報の書き込み方法及び読み取り方法について、図３Ｂを参照して説明する。
【００３６】
情報の書き込み方法を説明すれば、次の通りである。まず、自由層１６の磁化方向を固定層１２の磁化方向と同様に第１方向に整列させる。そして、固定層１２または自由層１６の方向から情報保存層１４にスピン分極化された電子を印加する。固定層１２の方向から情報保存層１４にスピン分極化された電子を印加する場合、情報保存層１４の第１磁性層１４ａは、第１方向に磁化され、第２磁性層１４ｃは、第２方向に磁化される。そして、自由層１６の方向から情報保存層１４にスピン分極化された電子を印加する場合、情報保存層の第２磁性層１４ｃは、第１方向に磁化され、第１磁性層１４ａは、第２方向に磁化される。図３Ｂでは、自由層１６の方向から情報保存層１４にスピン分極化された電子を印加した場合を示す図面である。
【００３７】
次いで、情報の読み取り方法を説明すれば、次の通りである。まず、自由層１６の磁化方向を固定層１２の磁化方向と逆方向に整列させる。例えば、自由層１６の磁化方向を第１方向に整列させ、固定層１２の磁化方向を第２方向に整列させる。そして、情報保存層１４に電流を流して抵抗値を測定する。例えば、自由層１６及び第２磁性層１４ｃの磁化方向がいずれも第１方向と同じ場合、相対的に低い抵抗値が測定される。このとき、固定層１２及び第１磁性層１４ａの磁化方向も同じ方向となるので、固定層１２と第１磁性層１４ａとの間でも相対的に低い抵抗値が測定される。しかし、自由層１６及び第２磁性層１４ｃの磁化方向と逆である場合と、固定層１２及び第１磁性層１４ａの磁化方向が逆である場合には、相対的に高い抵抗値が測定される。かかる方法により、情報保存層１４の磁化方向、すなわち保存されたデータを読み取ることができる。
【００３８】
結果的に、本発明の実施形態による磁気メモリ素子は、固定層１２上に情報保存層１４及び自由層１６を備えることによって、自由層の磁化方向を変更して情報の保存及び再生動作を実施することによって、ＭＲ値の減少を最小化し、かつ臨界電流密度を大きく低めることができる。
【００３９】
ここで、情報保存層１４だけでなく、固定層１２または自由層１６もＳＡＦ構造で形成できる。
【００４０】
図４は、情報保存層１４と固定層１２とをＳＡＦ構造で形成した構造を示した。図４に示すように、反強磁性層１１上にＳＡＦ構造で形成された固定層１２、固定層１２上に形成された第１非磁性層１３、第１非磁性層１３上にＳＡＦ構造で形成された情報保存層１４、情報保存層１４上に第２非磁性層１５及び自由層１６が形成されている。固定層１２は、第１固定磁性層１２ａ、中間層１２ｂ及び第２固定磁性層１２ｃを備え、第１固定磁性層１２ａ及び第２固定磁性層１２ｃの磁化方向は、互いに逆方向に維持される。
【００４１】
図５は、情報保存層１４と自由層１６とをＳＡＦ構造で形成した構造を示した。図５に示すように、反強磁性層１１上に固定層１２が形成されており、固定層１２上に形成された第１非磁性層１３、第１非磁性層１３上にＳＡＦ構造で形成された情報保存層１４、情報保存層１４上に第２非磁性層１５及びＳＡＦ構造で形成された自由層１６が形成されている。ここで、自由層１６は、第１自由磁性層１６ａ、中間層１６ｂ及び第２自由磁性層１６ｃを備え、第１自由磁性層１６ａ及び第２自由磁性層１６ｃの磁化方向は、互いに逆方向に維持される。
【００４２】
図６は、固定層１２、情報保存層１４及び自由層１６をＳＡＦ構造で形成した構造を示した。図６に示すように、反強磁性層１１上にＳＡＦ構造の固定層１２が形成されており、固定層１２上に形成された第１非磁性層１３、第１非磁性層１３上にＳＡＦ構造で形成された情報保存層１４、情報保存層１４上に第２非磁性層１５及びＳＡＦ構造で形成された自由層１６が形成されている。
【００４３】
情報保存層１４をＳＡＦ構造で形成する場合、外部磁場に対して磁化方向が安定化される。そして、固定層１２及び情報保存層１４をＳＡＦ構造で形成する場合、漏れフィールドを減少させて自由層１６の制御を容易にすることができる。固定層１２及び情報保存層１４の場合、ネットモーメントが相殺されるように中間層１２ｂ，１４ｂの両側の磁性層の厚さを同等に維持できる。自由層１６もＳＡＦ構造で形成する場合、保磁力Ｈｃを制御できる。自由層１６の場合、ネットモーメントの存在により外部磁場に反応できるように、中間層１６ｂの両側の磁性層の厚さを異なって形成できる。
【００４４】
各層の物質を説明すれば、次の通りである。反強磁性層１１は、主にＭｎを含む合金を使用して形成され、例えばＩｒＭｎ，ＦｅＭｎ，ＮｉＭｎ合金などを含んで形成される。そして、反強磁性層１１は、スイッチング素子またはスイッチング素子と連結された電極上に形成される。スイッチング素子は、例えばトランジスタ構造体でありうる。固定層１２は、反強磁性層１１により磁化方向が一方向に固定されたものであって、Ｎｉ，ＣｏまたはＦｅを含む強磁性物質で形成され、例えばＮｉＦｅ，ＣｏＦｅ，ＮｉＦｅＢ，ＣｏＦｅＢ，ＮｉＦｅＳｉＢまたはＣｏＦｅＳｉＢなどで形成される。自由層１６は、磁化方向が変更可能なものであって、ＮｉＦｅまたはＣｏＦｅなどの強磁性物質で形成される。固定層１２の第１固定磁性層１２ａ、第２固定磁性層１２ｃ、情報保存層１４の第１磁性層１４ａ及び第２磁性層１４ｃ、自由層１６の第１自由磁性層１６ａ及び第２自由磁性層１６ｃは、Ｎｉ，ＣｏまたはＦｅを含む強磁性物質で形成され、例えばＮｉＦｅ，ＣｏＦｅ，ＮｉＦｅＢ，ＣｏＦｅＢ，ＮｉＦｅＳｉＢまたはＣｏＦｅＳｉＢなどで形成される。そして、中間層１２ｂ，１４ｂ，１６ｂは、Ｒｕ，ＣｒまたはＣｕを含んで形成される。
【００４５】
図１及び図２に示した本発明の実施形態による磁気メモリ素子の自由層１６の磁化方向を変える方法について説明すれば、次の通りである。
【００４６】
第１の方法は、自由層１６上に書き込みラインを形成して、書き込みラインに電流を流して書き込みラインで発生する磁場を利用して自由層１６の磁化方向を調節するものである。ここで、自由層１６は、外部磁場により磁化方向を変えるほどの低い保磁力Ｈｃを有させる。情報保存層１４は、自由層１６より高い保磁力を有させる。書き込みラインを備える磁気メモリ素子の構造を図７に示した。
【００４７】
図７は、本発明の具現例による磁気メモリ素子の構造を示す断面図である。
【００４８】
図７に示すように、ソース２１ａ及びドレイン２１ｂを備える基板２０上には、ゲート絶縁層２２及びゲート電極２３を備えるトランジスタ構造体が形成されている。トランジスタ構造体上には、第１層間絶縁膜２５が形成されており、ドレイン２１ｂに対応する第１層間絶縁膜２５を開口し、コンタクトプラグ２４が形成されている。コンタクトプラグ２４上には、下部電極２６が形成されており、下部電極２６上には、反強磁性層１１、固定層１２、第１非磁性層１３、情報保存層１４、第２非磁性層１５及び自由層１６の多層膜が順次に形成されている。それらの多層膜の側部には、第２層間絶縁膜２７が形成されている。自由層１６上には、ビットライン２８が形成されており、ビットライン２８上には、第３層間絶縁膜２９が形成されている。選択的に、自由層１６とビットライン２８との間には、自由層１６を保護するための保護層をさらに備える。自由層１６に対応する第３層間絶縁膜２９上には、書き込みライン３０が形成されている。ここで、固定層１２、情報保存層１４及び自由層１６は、ＳＡＦ構造で形成される。書き込みライン３０に流れる電流の方向によって磁場が発生し、発生した磁場により自由層１６の磁化方向が変更しうる。参考までに、情報保存層１４をＳＡＦ構造で形成させ、自由層１６は単層構造で形成した場合、情報保存層１４の形成時、情報保存層１４の磁化容易軸をビットライン２８の方向と３０ないし６０°の角を有するように形成することによって、自由層１６の磁化方向を変更させる場合、情報保存層１４の磁化方向に及ぼす影響を減少させる。
自由層１６の磁化方向を変える第２の方法は、ドメイン障壁移動現象を利用するものである。これは、自由層１６上に相異なる磁化方向を有する磁性層を形成して、所望の磁化方向を有するドメインを自由層１６上に移動させた後、自由層１６内に所望の磁化方向を有するドメインを移動させることである。相異なる磁化方向を有する磁性層が備えられた磁気メモリ素子の構造を図８に示した。
【００４９】
図８は、本発明の具現例による磁気メモリ素子の構造を示す断面図である。
【００５０】
図８に示すように、ソース３１ａ及びドレイン３１ｂを備える基板３０が設けられており、基板３０上には、ソース３１ａ及びドレイン３１ｂと接触して、ゲート絶縁層３２及びゲート電極層３３が形成されている。かかるトランジスタ構造体上には、第１層間絶縁膜３５が形成されており、ドレイン３１ｂに対応する第１層間絶縁膜３５を開口するコンタクトプラグ３４が形成されている。コンタクトプラグ３４上には、下部電極３６が形成されており、下部電極３６上には、反強磁性層１１、固定層１２、第１非磁性層１３、情報保存層１４、第２非磁性層１５及び自由層１６の多層膜が順次に形成されている。それらの多層膜の側部には、第２層間絶縁膜３７が形成されている。自由層１６及び第２層間絶縁膜３７上には、相異なる磁化方向を有するドメインを含む磁性層３８が形成されている。ここで、固定層１２、情報保存層１４及び自由層１６は、ＳＡＦ構造で形成される。
磁性層３８は、互いに逆方向の磁化方向を有するドメインを含んでおり、ドメイン間には、ドメイン障壁Ｗが存在する。ドメイン障壁Ｗは、電子の方向、すなわち電流の逆方向に移動する特性がある。例えば、自由層１６に対して右側方向の磁化方向を有するように磁化させようとする場合を説明すれば、次の通りである。まず、磁性層３８に電流を印加して、ドメイン障壁Ｗを自由層１６上の右側方向に移動させる。したがって、右側方向の磁化方向を有するドメインを自由層１６上に位置させる。そして、磁性層３８の左側及び自由層１６に電流を印加して、磁性層３８のドメインを自由層１６に移動させる。逆に、自由層１６の左側方向の磁化方向を有するように磁化させようとする場合には、磁性層３８に電流を印加して、ドメイン障壁Ｗを自由層１６上の左側方向に移動させる。これによって、左側方向の磁化方向を有するドメインが自由層１６上に位置する。そして、磁性層３８の右側及び自由層１６に電流を印加して、磁性層３８のドメインを自由層１６に移動させる。
【００５１】
前記した説明で多くの事項が具体的に記載されているが、それらは、発明の範囲を限定するというより、望ましい実施形態の例示として解釈されねばならない。例えば、本発明の実施形態による磁気メモリ素子は、別途のバッファ層、下地層及び上地層をさらに備え、これは、選択的なものである。したがって、本発明の範囲は、説明された実施形態により決まるものではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想により決まらねばならない。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は、情報記録媒体関連の技術分野に適用可能である。
【符号の説明】
【００５３】
１１ 反強磁性層
１２ 固定層
１３ 第１非磁性層
１４ 情報保存層
１５ 第２非磁性層
１６ 自由層
２０，３０ 基板
２１ａ，３１ａ ソース
２１ｂ，３１ｂ ドレイン
２２，３２ ゲート絶縁層
２３，３３ ゲート電極
２４，３４ コンタクトプラグ
２５，２７，２９，３５，３７ 層間絶縁膜
２８ ビットライン
３０ 書き込みライン
３８ ドメインを含む磁性層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気メモリ素子に係り、特にＭＲ（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）の減少を最小化し、かつ臨界電流密度（Ｊｃ）を低めることができる構造の磁気メモリ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
情報産業が発達し、大容量の情報処理が要求されるにつれて、高容量の情報を保存できるデータ記録媒体に関する需要が持続的に増加している。需要の増加によって、データ保存速度が速く、かつ小型の情報記録媒体に関する研究が進められており、結果的に多様な種類の情報保存装置が開発された。
【０００３】
情報保存装置は、揮発性の情報保存装置と不揮発性の情報保存装置とに大別される。揮発性の情報保存装置の場合、電源が遮断されれば、記録された情報がいずれも除去されるが、情報記録及び再生速度が速いという長所がある。不揮発性の情報保存装置の場合、電源が遮断されても記録された情報が除去されない。
【０００４】
揮発性の情報保存装置としては、代表的なものとしてＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）が挙げられる。そして、不揮発性の情報保存装置は、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）及びＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）などがある。不揮発性の情報保存装置の一つの種類である磁気メモリ素子（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ：ＭＲＡＭ）は、スピン依存伝導現象に基づいた磁気抵抗効果を利用したメモリ素子である。
【０００５】
従来の磁気メモリ素子は、ビットライン、ワードラインに流れる電流により発生する磁場を利用して、メモリセルの自由層の磁化方向をスイッチングさせる方式を使用した。しかし、かかる方式は、次のような問題点がある。第１に、高密度のメモリ素子の具現のために単位セルのサイズを縮小させる場合、自由層の保磁力が増加するため、スイッチングフィールドが増加し、したがって、印加電流の大きさが大きくなければならないという問題がある。第２に、メモリアレイ構造で多くのメモリセルを含むため、所望しないセルの自由層もスイッチングが発生する可能性がある。したがって、磁場によるスイッチング方式を利用した磁気メモリ素子は、選択性及び高密度化が困難であるという問題点がある。
【０００６】
これに対し、スピントランスファトルク（Ｓｐｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｔｏｒｑｕｅ：ＳＴＴ）現象を利用した磁気メモリ素子は、集積度、選択性、高い書き込み電流の問題点を解決できるので、最近多くの研究が進められている。この方式は、一方向にスピンが分極化された電流を磁気メモリ素子に流して、電子のスピン伝達を使用して磁気メモリ素子の自由層を所望の方向にスイッチングする方式である。この方式は、セルサイズが小さくなるほど、要求電流が小さくなるので、高密度化に有利である。しかし、ＳＴＴ現象を利用した磁気メモリ素子は、スイッチングに必要な臨界電流密度が商用化するにはまだ高いため、臨界電流を低めるための研究が進められている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、ＭＲ値の減少を最小化でき、かつ臨界電流密度を減少させる新たな構造の磁気メモリ素子及びその情報の書き込み及び読み取り方法を提供するところにある。
【０００８】
本発明の他の目的は、磁気メモリ素子において、固定層、情報保存層及び自由層を備える磁気メモリ素子を提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の目的を達成するために、本発明の一側面において、前記反強磁性層により磁化方向が固定された固定層と、前記固定層上に形成された第１非磁性層と、前記第１非磁性層上に形成された情報保存層と、前記情報保存層上に形成された第２非磁性層と、前記第２非磁性層上に形成されたものであって、磁化方向が変更可能な自由層と、を備える。
【００１０】
本発明の一側面において、前記情報保存層は、ＳＡＦ（Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ）構造で形成される。
【００１１】
本発明の一側面において、前記固定層は、ＳＡＦ構造で形成される。
【００１２】
本発明の一側面において、前記自由層は、ＳＡＦ構造で形成される。
【００１３】
本発明の一側面において、前記ＳＡＦ構造は、強磁性層、中間層及び強磁性層を備える。
【００１４】
本発明の一側面において、前記中間層は、Ｒｕ，ＣｒまたはＣｕで形成される。
【００１５】
本発明の一側面において、前記第１及び第２非磁性層は、ＭｇＯを含んで形成される。
【００１６】
本発明の一側面において、前記反強磁性層は、スイッチ構造体を備える下部構造体上に形成される。
【００１７】
本発明の一側面において、前記自由層上に順次に形成されたビットライン、層間絶縁膜及び書き込みラインをさらに含む。
【００１８】
本発明の一側面において、前記自由層上に形成されたものであって、磁化方向が相異なる少なくとも二つのドメインを含む磁性層をさらに備える。
【００１９】
本発明の実施形態では、固定層、情報保存層及び自由層を備える磁気メモリ素子の情報の書き込み及び読み取り方法において、前記自由層の磁化方向を前記固定層の磁化方向と逆方向に設定した後、前記情報保存層に情報を書き込み、前記自由層の磁化方向を前記固定層の磁化方向と同方向に設定した後、前記情報保存層から情報を読み取る磁気メモリ素子の情報の書き込み及び読み取り方法を提供する。
【００２０】
本発明の一側面において、前記自由層上に形成された書き込みラインをさらに備え、前記書き込みラインに電流を印加して発生した磁場により、前記自由層の磁化方向を変更する。
【００２１】
本発明の一側面において、前記自由層上に形成されたものであって、磁化方向が相異なる少なくとも二つのドメインを含む磁性層をさらに備え、前記磁性層のドメイン障壁を移動させた後、前記自由層の磁化方向を変更する。
【００２２】
本発明の実施形態では、固定層、ＳＡＦ構造の情報保存層及び自由層を備える磁気メモリ素子の情報の書き込み及び読み取り方法において、前記自由層の磁化方向を前記固定層の磁化方向と同方向に設定した後、前記情報保存層に情報を書き込み、前記自由層の磁化方向を前記固定層の磁化方向と逆方向に設定した後、前記情報保存層から情報を読み取る磁気メモリ素子の情報の書き込み及び読み取り方法を提供する。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の実施形態による磁気メモリ素子は、自由層の磁化方向を固定層の磁化方向と同一または逆方向に調節することによって、情報保存層に／から情報を書き込み／読み取り、この過程での臨界電流密度を従来技術による磁気メモリ素子に比べて大きく減少させる。本発明の実施形態によれば、自由層の磁化方向を変更して情報の保存及び再生動作を実施することによって、ＭＲ値の減少を最小化し、かつ臨界電流密度を大きく低めることができ、情報保存層をＳＡＦ構造で形成することによって、外部磁場に対して安定した磁気メモリ素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態による磁気メモリ素子の構造を示す図面である。
【図２】本発明の実施形態による磁気メモリ素子の構造を示す図面である。
【図３Ａ】本発明の実施形態による磁気メモリ素子の駆動方法を示す図面である。
【図３Ｂ】本発明の実施形態による磁気メモリ素子の駆動方法を示す図面である。
【図４】固定層及び情報保存層をＳＡＦ構造で形成した磁気メモリ素子の構造を示す図面である。
【図５】情報保存層及び自由層をＳＡＦ構造で形成した磁気メモリ素子の構造を示す図面である。
【図６】固定層、情報保存層及び自由層をＳＡＦ構造で形成した磁気メモリ素子の構造を示す図面である。
【図７】本発明の具現例による磁気メモリ素子を示す図面である。
【図８】本発明の具現例による磁気メモリ素子を示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、添付された図面を参照して、本発明の実施形態による磁気メモリ素子について詳細に説明する。参考までに、図面に示した各層の厚さ及び幅は、説明のために多少誇張されたことを銘記せねばならない。
【００２６】
図１は、本発明の実施形態による磁気メモリ素子を示す断面図である。
【００２７】
図１に示すように、本発明の実施形態による磁気メモリ素子は、反強磁性層１１上に形成された固定層１２、第１非磁性層１３及び情報保存層１４が形成されている。そして、情報保存層１４上には、順次に形成された第２非磁性層１５及び自由層１６が形成されている。
【００２８】
本発明の実施形態による磁気メモリ素子の各層について記載すれば、次の通りである。反強磁性層１１は、主にＭｎを含む合金を使用して形成され、例えばＩｒＭｎ，ＦｅＭｎ，ＮｉＭｎ合金などを含んで形成される。反強磁性層１１は、スイッチング素子またはスイッチング素子と連結された電極上に形成される。スイッチング素子は、例えばトランジスタ構造体でありうる。固定層１２は、反強磁性層１１により磁化方向が一方向に固定されたものであって、Ｎｉ，ＣｏまたはＦｅを含む強磁性物質で形成され、例えばＮｉＦｅ，ＣｏＦｅ，ＮｉＦｅＢ，ＣｏＦｅＢ，ＮｉＦｅＳｉＢまたはＣｏＦｅＳｉＢなどで形成される。第１非磁性層１３及び第２非磁性層１５は、ＭｇＯで形成される。情報保存層１４及び自由層１６は、磁化方向が変更可能なものであって、Ｎｉ，ＣｏまたはＦｅを含む強磁性物質で形成され、例えばＮｉＦｅ，ＣｏＦｅ，ＮｉＦｅＢ，ＣｏＦｅＢ，ＮｉＦｅＳｉＢまたはＣｏＦｅＳｉＢなどで形成される。
【００２９】
図１に示した本発明の実施形態による磁気メモリ素子の情報の書き込み方法及び読み取り方法について、図３Ａを参照して詳細に説明する。
【００３０】
情報の書き込み方法（ｗｒｉｔｅ）を説明すれば、次の通りである。まず、自由層１６の磁化方向を固定層１２の磁化方向と逆方向に整列させるために、外部から磁場または電界を印加する。この場合、固定層１２は、第１方向の磁化方向を有し、自由層１６は、第２方向の磁化方向を有する。そして、固定層１２または自由層１６の方向から情報保存層１４にスピン分極化された電子を一方向に印加する。固定層１２の方向からスピン分極化された電子を印加する場合、情報保存層１４の磁化方向は、第１方向に整列され、自由層１６の方向からスピン分極化された電子を印加する場合、情報保存層１４の磁化方向は、第２方向に整列される。図３Ａでは、自由層１６の方向からスピン分極化された電子を印加する場合の情報保存層１４のスピン方向を示したものである。結果的に、これによって、情報保存層１４に第１方向または第２方向の情報が保存される。かかる情報の書き込み過程によって、書き込み動作に必要な臨界電流密度を低めることができる。
【００３１】
次いで、情報の読み取り方法（ｒｅａｄ）を説明すれば、次の通りである。まず、自由層１６の磁化方向を固定層１２の磁化方向と同方向に整列させる。そして、情報保存層１４に電流を流して情報保存層１４の抵抗値を測定する。情報保存層１４の磁化方向が固定層１２及び自由層１６の磁化方向と同じ場合、相対的に低い抵抗値が測定される。そして、情報保存層１４の磁化方向が固定層１２及び自由層１６の磁化方向と逆である場合には、相対的に高い抵抗値が測定される。かかる方法により、情報保存層１４の磁化方向、すなわち保存されたデータを読み取ることができる。
【００３２】
結果的に、本発明の実施形態による磁気メモリ素子は、固定層１２上に情報保存層１４及び自由層１６を備えることによって、自由層１６の磁化方向を変更して情報の保存及び再生動作を実施することによって、ＭＲ値の減少を最小化し、かつ臨界電流密度を大きく低めることができるという長所がある。
【００３３】
図２は、本発明の実施形態による磁気メモリ素子において、情報保存層１４をＳＡＦ（Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ）構造で形成させた構造を示す断面図である。
【００３４】
図２に示すように、反強磁性層１１上に固定層１２、第１非磁性層１３及び情報保存層１４が形成されている。そして、情報保存層１４上には、順次に形成された第２非磁性層１５及び自由層１６が形成されている。ここで、情報保存層１４は、ＳＡＦ構造で形成される。すなわち、情報保存層１４は、第１磁性層１４ａ、中間層１４ｂ及び第２磁性層１４ｃが順次に形成された構造でありうる。情報保存層１４をＳＡＦ構造で形成することによって、磁場に対して安定した構造を維持できる。
【００３５】
図２に示した本発明の実施形態による磁気メモリ素子の情報の書き込み方法及び読み取り方法について、図３Ｂを参照して説明する。
【００３６】
情報の書き込み方法を説明すれば、次の通りである。まず、自由層１６の磁化方向を固定層１２の磁化方向と同様に第１方向に整列させる。そして、固定層１２または自由層１６の方向から情報保存層１４にスピン分極化された電子を印加する。固定層１２の方向から情報保存層１４にスピン分極化された電子を印加する場合、情報保存層１４の第１磁性層１４ａは、第１方向に磁化され、第２磁性層１４ｃは、第２方向に磁化される。そして、自由層１６の方向から情報保存層１４にスピン分極化された電子を印加する場合、情報保存層の第２磁性層１４ｃは、第１方向に磁化され、第１磁性層１４ａは、第２方向に磁化される。図３Ｂでは、自由層１６の方向から情報保存層１４にスピン分極化された電子を印加した場合を示す図面である。
【００３７】
次いで、情報の読み取り方法を説明すれば、次の通りである。まず、自由層１６の磁化方向を固定層１２の磁化方向と逆方向に整列させる。例えば、自由層１６の磁化方向を第１方向に整列させ、固定層１２の磁化方向を第２方向に整列させる。そして、情報保存層１４に電流を流して抵抗値を測定する。例えば、自由層１６及び第２磁性層１４ｃの磁化方向がいずれも第１方向と同じ場合、相対的に低い抵抗値が測定される。このとき、固定層１２及び第１磁性層１４ａの磁化方向も同じ方向となるので、固定層１２と第１磁性層１４ａとの間でも相対的に低い抵抗値が測定される。しかし、自由層１６及び第２磁性層１４ｃの磁化方向と逆である場合と、固定層１２及び第１磁性層１４ａの磁化方向が逆である場合には、相対的に高い抵抗値が測定される。かかる方法により、情報保存層１４の磁化方向、すなわち保存されたデータを読み取ることができる。
【００３８】
結果的に、本発明の実施形態による磁気メモリ素子は、固定層１２上に情報保存層１４及び自由層１６を備えることによって、自由層の磁化方向を変更して情報の保存及び再生動作を実施することによって、ＭＲ値の減少を最小化し、かつ臨界電流密度を大きく低めることができる。
【００３９】
ここで、情報保存層１４だけでなく、固定層１２または自由層１６もＳＡＦ構造で形成できる。
【００４０】
図４は、情報保存層１４と固定層１２とをＳＡＦ構造で形成した構造を示した。図４に示すように、反強磁性層１１上にＳＡＦ構造で形成された固定層１２、固定層１２上に形成された第１非磁性層１３、第１非磁性層１３上にＳＡＦ構造で形成された情報保存層１４、情報保存層１４上に第２非磁性層１５及び自由層１６が形成されている。固定層１２は、第１固定磁性層１２ａ、中間層１２ｂ及び第２固定磁性層１２ｃを備え、第１固定磁性層１２ａ及び第２固定磁性層１２ｃの磁化方向は、互いに逆方向に維持される。
【００４１】
図５は、情報保存層１４と自由層１６とをＳＡＦ構造で形成した構造を示した。図５に示すように、反強磁性層１１上に固定層１２が形成されており、固定層１２上に形成された第１非磁性層１３、第１非磁性層１３上にＳＡＦ構造で形成された情報保存層１４、情報保存層１４上に第２非磁性層１５及びＳＡＦ構造で形成された自由層１６が形成されている。ここで、自由層１６は、第１自由磁性層１６ａ、中間層１６ｂ及び第２自由磁性層１６ｃを備え、第１自由磁性層１６ａ及び第２自由磁性層１６ｃの磁化方向は、互いに逆方向に維持される。
【００４２】
図６は、固定層１２、情報保存層１４及び自由層１６をＳＡＦ構造で形成した構造を示した。図６に示すように、反強磁性層１１上にＳＡＦ構造の固定層１２が形成されており、固定層１２上に形成された第１非磁性層１３、第１非磁性層１３上にＳＡＦ構造で形成された情報保存層１４、情報保存層１４上に第２非磁性層１５及びＳＡＦ構造で形成された自由層１６が形成されている。
【００４３】
情報保存層１４をＳＡＦ構造で形成する場合、外部磁場に対して磁化方向が安定化される。そして、固定層１２及び情報保存層１４をＳＡＦ構造で形成する場合、漏れフィールドを減少させて自由層１６の制御を容易にすることができる。固定層１２及び情報保存層１４の場合、ネットモーメントが相殺されるように中間層１２ｂ，１４ｂの両側の磁性層の厚さを同等に維持できる。自由層１６もＳＡＦ構造で形成する場合、保磁力Ｈｃを制御できる。自由層１６の場合、ネットモーメントの存在により外部磁場に反応できるように、中間層１６ｂの両側の磁性層の厚さを異なって形成できる。
【００４４】
各層の物質を説明すれば、次の通りである。反強磁性層１１は、主にＭｎを含む合金を使用して形成され、例えばＩｒＭｎ，ＦｅＭｎ，ＮｉＭｎ合金などを含んで形成される。そして、反強磁性層１１は、スイッチング素子またはスイッチング素子と連結された電極上に形成される。スイッチング素子は、例えばトランジスタ構造体でありうる。固定層１２は、反強磁性層１１により磁化方向が一方向に固定されたものであって、Ｎｉ，ＣｏまたはＦｅを含む強磁性物質で形成され、例えばＮｉＦｅ，ＣｏＦｅ，ＮｉＦｅＢ，ＣｏＦｅＢ，ＮｉＦｅＳｉＢまたはＣｏＦｅＳｉＢなどで形成される。自由層１６は、磁化方向が変更可能なものであって、ＮｉＦｅまたはＣｏＦｅなどの強磁性物質で形成される。固定層１２の第１固定磁性層１２ａ、第２固定磁性層１２ｃ、情報保存層１４の第１磁性層１４ａ及び第２磁性層１４ｃ、自由層１６の第１自由磁性層１６ａ及び第２自由磁性層１６ｃは、Ｎｉ，ＣｏまたはＦｅを含む強磁性物質で形成され、例えばＮｉＦｅ，ＣｏＦｅ，ＮｉＦｅＢ，ＣｏＦｅＢ，ＮｉＦｅＳｉＢまたはＣｏＦｅＳｉＢなどで形成される。そして、中間層１２ｂ，１４ｂ，１６ｂは、Ｒｕ，ＣｒまたはＣｕを含んで形成される。
【００４５】
図１及び図２に示した本発明の実施形態による磁気メモリ素子の自由層１６の磁化方向を変える方法について説明すれば、次の通りである。
【００４６】
第１の方法は、自由層１６上に書き込みラインを形成して、書き込みラインに電流を流して書き込みラインで発生する磁場を利用して自由層１６の磁化方向を調節するものである。ここで、自由層１６は、外部磁場により磁化方向を変えるほどの低い保磁力Ｈｃを有させる。情報保存層１４は、自由層１６より高い保磁力を有させる。書き込みラインを備える磁気メモリ素子の構造を図７に示した。
【００４７】
図７は、本発明の具現例による磁気メモリ素子の構造を示す断面図である。
【００４８】
図７に示すように、ソース２１ａ及びドレイン２１ｂを備える基板２０上には、ゲート絶縁層２２及びゲート電極２３を備えるトランジスタ構造体が形成されている。トランジスタ構造体上には、第１層間絶縁膜２５が形成されており、ドレイン２１ｂに対応する第１層間絶縁膜２５を開口し、コンタクトプラグ２４が形成されている。コンタクトプラグ２４上には、下部電極２６が形成されており、下部電極２６上には、反強磁性層１１、固定層１２、第１非磁性層１３、情報保存層１４、第２非磁性層１５及び自由層１６の多層膜が順次に形成されている。それらの多層膜の側部には、第２層間絶縁膜２７が形成されている。自由層１６上には、ビットライン２８が形成されており、ビットライン２８上には、第３層間絶縁膜２９が形成されている。選択的に、自由層１６とビットライン２８との間には、自由層１６を保護するための保護層をさらに備える。自由層１６に対応する第３層間絶縁膜２９上には、書き込みライン３０が形成されている。ここで、固定層１２、情報保存層１４及び自由層１６は、ＳＡＦ構造で形成される。書き込みライン３０に流れる電流の方向によって磁場が発生し、発生した磁場により自由層１６の磁化方向が変更しうる。参考までに、情報保存層１４をＳＡＦ構造で形成させ、自由層１６は単層構造で形成した場合、情報保存層１４の形成時、情報保存層１４の磁化容易軸をビットライン２８の方向と３０ないし６０°の角を有するように形成することによって、自由層１６の磁化方向を変更させる場合、情報保存層１４の磁化方向に及ぼす影響を減少させる。
自由層１６の磁化方向を変える第２の方法は、ドメイン障壁移動現象を利用するものである。これは、自由層１６上に相異なる磁化方向を有する磁性層を形成して、所望の磁化方向を有するドメインを自由層１６上に移動させた後、自由層１６内に所望の磁化方向を有するドメインを移動させることである。相異なる磁化方向を有する磁性層が備えられた磁気メモリ素子の構造を図８に示した。
【００４９】
図８は、本発明の具現例による磁気メモリ素子の構造を示す断面図である。
【００５０】
図８に示すように、ソース３１ａ及びドレイン３１ｂを備える基板３０が設けられており、基板３０上には、ソース３１ａ及びドレイン３１ｂと接触して、ゲート絶縁層３２及びゲート電極層３３が形成されている。かかるトランジスタ構造体上には、第１層間絶縁膜３５が形成されており、ドレイン３１ｂに対応する第１層間絶縁膜３５を開口するコンタクトプラグ３４が形成されている。コンタクトプラグ３４上には、下部電極３６が形成されており、下部電極３６上には、反強磁性層１１、固定層１２、第１非磁性層１３、情報保存層１４、第２非磁性層１５及び自由層１６の多層膜が順次に形成されている。それらの多層膜の側部には、第２層間絶縁膜３７が形成されている。自由層１６及び第２層間絶縁膜３７上には、相異なる磁化方向を有するドメインを含む磁性層３８が形成されている。ここで、固定層１２、情報保存層１４及び自由層１６は、ＳＡＦ構造で形成される。
磁性層３８は、互いに逆方向の磁化方向を有するドメインを含んでおり、ドメイン間には、ドメイン障壁Ｗが存在する。ドメイン障壁Ｗは、電子の方向、すなわち電流の逆方向に移動する特性がある。例えば、自由層１６に対して右側方向の磁化方向を有するように磁化させようとする場合を説明すれば、次の通りである。まず、磁性層３８に電流を印加して、ドメイン障壁Ｗを自由層１６上の右側方向に移動させる。したがって、右側方向の磁化方向を有するドメインを自由層１６上に位置させる。そして、磁性層３８の左側及び自由層１６に電流を印加して、磁性層３８のドメインを自由層１６に移動させる。逆に、自由層１６の左側方向の磁化方向を有するように磁化させようとする場合には、磁性層３８に電流を印加して、ドメイン障壁Ｗを自由層１６上の左側方向に移動させる。これによって、左側方向の磁化方向を有するドメインが自由層１６上に位置する。そして、磁性層３８の右側及び自由層１６に電流を印加して、磁性層３８のドメインを自由層１６に移動させる。
【００５１】
前記した説明で多くの事項が具体的に記載されているが、それらは、発明の範囲を限定するというより、望ましい実施形態の例示として解釈されねばならない。例えば、本発明の実施形態による磁気メモリ素子は、別途のバッファ層、下地層及び上地層をさらに備え、これは、選択的なものである。したがって、本発明の範囲は、説明された実施形態により決まるものではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想により決まらねばならない。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は、情報記録媒体関連の技術分野に適用可能である。
【符号の説明】
【００５３】
１１ 反強磁性層
１２ 固定層
１３ 第１非磁性層
１４ 情報保存層
１５ 第２非磁性層
１６ 自由層
２０，３０ 基板
２１ａ，３１ａ ソース
２１ｂ，３１ｂ ドレイン
２２，３２ ゲート絶縁層
２３，３３ ゲート電極
２４，３４ コンタクトプラグ
２５，２７，２９，３５，３７ 層間絶縁膜
２８ ビットライン
３０ 書き込みライン
３８ ドメインを含む磁性層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気メモリ素子において、
反強磁性層、固定層、情報保存層及び自由層を備えたことを特徴とする磁気メモリ素子。
【請求項２】
前記反強磁性層により磁化方向が固定された固定層と、
前記固定層上に形成された第１非磁性層と、
前記第１非磁性層上に形成された情報保存層と、
前記情報保存層上に形成された第２非磁性層と、
前記第２非磁性層上に形成されたものであって、磁化方向が変更可能な自由層と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ素子。
【請求項３】
前記情報保存層は、ＳＡＦ構造で形成されたことを特徴とする請求項２に記載の磁気メモリ素子。
【請求項４】
前記固定層は、ＳＡＦ構造で形成されたことを特徴とする請求項２に記載の磁気メモリ素子。
【請求項５】
前記自由層は、ＳＡＦ構造で形成されたことを特徴とする請求項２に記載の磁気メモリ素子。
【請求項６】
前記ＳＡＦ構造は、強磁性層、中間層及び強磁性層を備えたことを特徴とする請求項３ないし５のうちいずれか一項に記載の磁気メモリ素子。
【請求項７】
前記中間層は、Ｒｕ，ＣｒまたはＣｕで形成されたことを特徴とする請求項６に記載の磁気メモリ素子。
【請求項８】
前記第１及び第２非磁性層は、ＭｇＯを含んで形成されたことを特徴とする請求項２に記載の磁気メモリ素子。
【請求項９】
前記反強磁性層は、スイッチ構造体を備えた下部構造体上に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ素子。
【請求項１０】
前記自由層上に順次に形成されたビットライン、層間絶縁膜及び書き込みラインをさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ素子。
【請求項１１】
前記自由層上に形成されたものであって、磁化方向が相異なる少なくとも二つのドメインを含む磁性層をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ素子。
【請求項１２】
固定層、情報保存層及び自由層を備えた磁気メモリ素子の情報の書き込み及び読み取り方法において、
前記自由層の磁化方向を前記固定層の磁化方向と逆方向に設定した後、前記情報保存層に情報を書き込み、
前記自由層の磁化方向を前記固定層の磁化方向と同方向に設定した後、前記情報保存層から情報を読み取る磁気メモリ素子の情報の書き込み及び読み取り方法。
【請求項１３】
前記自由層上に形成された書き込みラインをさらに備え、
前記書き込みラインに電流を印加して発生した磁場により、前記自由層の磁化方向を変更することを特徴とする請求項１２に記載の磁気メモリ素子の情報の書き込み及び読み取り方法。
【請求項１４】
前記自由層上に形成されたものであって、磁化方向が相異なる少なくとも二つのドメインを含む磁性層をさらに備え、
前記磁性層のドメイン障壁を移動させた後、前記自由層の磁化方向を変更することを特徴とする請求項１２に記載の磁気メモリ素子の情報の書き込み及び読み取り方法。
【請求項１５】
固定層、ＳＡＦ構造の情報保存層及び自由層を備える磁気メモリ素子の情報の書き込み及び読み取り方法において、
前記自由層の磁化方向を前記固定層の磁化方向と同方向に設定した後、前記情報保存層に情報を書き込み、
前記自由層の磁化方向を前記固定層の磁化方向と逆方向に設定した後、前記情報保存層から情報を読み取る磁気メモリ素子の情報の書き込み及び読み取り方法。
【請求項１６】
前記自由層上に形成された書き込みラインをさらに備え、
前記書き込みラインに電流を印加して発生した磁場により、前記自由層の磁化方向を変更することを特徴とする請求項１５に記載の磁気メモリ素子の情報の書き込み及び読み取り方法。
【請求項１７】
前記自由層上に形成されたものであって、磁化方向が相異なる少なくとも二つのドメインを含む磁性層をさらに備え、
前記磁性層のドメイン障壁を移動させた後、前記自由層の磁化方向を変更することを特徴とする請求項１５に記載の磁気メモリ素子の情報の書き込み及び読み取り方法。
【請求項１８】
前記固定層または自由層は、ＳＡＦ構造で形成されたことを特徴とする請求項１５に記載の磁気メモリ素子の情報の書き込み及び読み取り方法。
【請求項１９】
前記ＳＡＦ構造は、強磁性層、中間層及び強磁性層を備えたことを特徴とする請求項１８に記載の磁気メモリ素子の情報の書き込み及び読み取り方法。
【請求項１】
磁気メモリ素子において、
反強磁性層、固定層、情報保存層及び自由層を備えたことを特徴とする磁気メモリ素子。
【請求項２】
前記反強磁性層により磁化方向が固定された固定層と、
前記固定層上に形成された第１非磁性層と、
前記第１非磁性層上に形成された情報保存層と、
前記情報保存層上に形成された第２非磁性層と、
前記第２非磁性層上に形成されたものであって、磁化方向が変更可能な自由層と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ素子。
【請求項３】
前記情報保存層は、ＳＡＦ構造で形成されたことを特徴とする請求項２に記載の磁気メモリ素子。
【請求項４】
前記固定層は、ＳＡＦ構造で形成されたことを特徴とする請求項２に記載の磁気メモリ素子。
【請求項５】
前記自由層は、ＳＡＦ構造で形成されたことを特徴とする請求項２に記載の磁気メモリ素子。
【請求項６】
前記ＳＡＦ構造は、強磁性層、中間層及び強磁性層を備えたことを特徴とする請求項３ないし５のうちいずれか一項に記載の磁気メモリ素子。
【請求項７】
前記中間層は、Ｒｕ，ＣｒまたはＣｕで形成されたことを特徴とする請求項６に記載の磁気メモリ素子。
【請求項８】
前記第１及び第２非磁性層は、ＭｇＯを含んで形成されたことを特徴とする請求項２に記載の磁気メモリ素子。
【請求項９】
前記反強磁性層は、スイッチ構造体を備えた下部構造体上に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ素子。
【請求項１０】
前記自由層上に順次に形成されたビットライン、層間絶縁膜及び書き込みラインをさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ素子。
【請求項１１】
前記自由層上に形成されたものであって、磁化方向が相異なる少なくとも二つのドメインを含む磁性層をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ素子。
【請求項１２】
固定層、情報保存層及び自由層を備えた磁気メモリ素子の情報の書き込み及び読み取り方法において、
前記自由層の磁化方向を前記固定層の磁化方向と逆方向に設定した後、前記情報保存層に情報を書き込み、
前記自由層の磁化方向を前記固定層の磁化方向と同方向に設定した後、前記情報保存層から情報を読み取る磁気メモリ素子の情報の書き込み及び読み取り方法。
【請求項１３】
前記自由層上に形成された書き込みラインをさらに備え、
前記書き込みラインに電流を印加して発生した磁場により、前記自由層の磁化方向を変更することを特徴とする請求項１２に記載の磁気メモリ素子の情報の書き込み及び読み取り方法。
【請求項１４】
前記自由層上に形成されたものであって、磁化方向が相異なる少なくとも二つのドメインを含む磁性層をさらに備え、
前記磁性層のドメイン障壁を移動させた後、前記自由層の磁化方向を変更することを特徴とする請求項１２に記載の磁気メモリ素子の情報の書き込み及び読み取り方法。
【請求項１５】
固定層、ＳＡＦ構造の情報保存層及び自由層を備える磁気メモリ素子の情報の書き込み及び読み取り方法において、
前記自由層の磁化方向を前記固定層の磁化方向と同方向に設定した後、前記情報保存層に情報を書き込み、
前記自由層の磁化方向を前記固定層の磁化方向と逆方向に設定した後、前記情報保存層から情報を読み取る磁気メモリ素子の情報の書き込み及び読み取り方法。
【請求項１６】
前記自由層上に形成された書き込みラインをさらに備え、
前記書き込みラインに電流を印加して発生した磁場により、前記自由層の磁化方向を変更することを特徴とする請求項１５に記載の磁気メモリ素子の情報の書き込み及び読み取り方法。
【請求項１７】
前記自由層上に形成されたものであって、磁化方向が相異なる少なくとも二つのドメインを含む磁性層をさらに備え、
前記磁性層のドメイン障壁を移動させた後、前記自由層の磁化方向を変更することを特徴とする請求項１５に記載の磁気メモリ素子の情報の書き込み及び読み取り方法。
【請求項１８】
前記固定層または自由層は、ＳＡＦ構造で形成されたことを特徴とする請求項１５に記載の磁気メモリ素子の情報の書き込み及び読み取り方法。
【請求項１９】
前記ＳＡＦ構造は、強磁性層、中間層及び強磁性層を備えたことを特徴とする請求項１８に記載の磁気メモリ素子の情報の書き込み及び読み取り方法。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−２５３２９８（Ｐ２００９−２５３２９８Ａ）
【公開日】平成２１年１０月２９日（２００９．１０．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−９１１３７（Ｐ２００９−９１１３７）
【出願日】平成２１年４月３日（２００９．４．３）
【出願人】（３９００１９８３９）三星電子株式会社 (8,520)
【氏名又は名称原語表記】ＳＡＭＳＵＮＧ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＣＯ．，ＬＴＤ．
【住所又は居所原語表記】４１６，Ｍａｅｔａｎ−ｄｏｎｇ，Ｙｅｏｎｇｔｏｎｇ−ｇｕ，Ｓｕｗｏｎ−ｓｉ，Ｇｙｅｏｎｇｇｉ−ｄｏ ４４２−７４２（ＫＲ）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月２９日（２００９．１０．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月３日（２００９．４．３）
【出願人】（３９００１９８３９）三星電子株式会社 (8,520)
【氏名又は名称原語表記】ＳＡＭＳＵＮＧ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＣＯ．，ＬＴＤ．
【住所又は居所原語表記】４１６，Ｍａｅｔａｎ−ｄｏｎｇ，Ｙｅｏｎｇｔｏｎｇ−ｇｕ，Ｓｕｗｏｎ−ｓｉ，Ｇｙｅｏｎｇｇｉ−ｄｏ ４４２−７４２（ＫＲ）
【Ｆターム（参考）】
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