JP2007095765A - Multiple-value recording spin injection magnetization inverting element and device using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁気的なメモリを構成する基本構造素子およびこれを用いた装置に関する。より具体的には、電子スピンの注入を制御して、多値記録が可能な磁気的ランダムアクセスメモリを構成する素子ならびに装置に関する。 The present invention relates to a basic structural element constituting a magnetic memory and an apparatus using the same. More specifically, the present invention relates to an element and an apparatus constituting a magnetic random access memory capable of multi-value recording by controlling injection of electron spin.
近年、強磁性層/非磁性金属層/強磁性層からなる巨大磁気抵抗(GMR)効果素子あるいは強磁性層/絶縁体層/強磁性層からなる強磁性スピントンネル接合(MTJ)素子が開発され、新規な磁界センサや磁気メモリとして、その応用が期待されている。これらは、対向する強磁性層の磁化方向の組み合わせにより電気抵抗が異なることを利用するもので、一方の強磁性層を磁化反転することにより磁化方向の組み合わせを変えて記録を行う。
磁化反転を生起する方法としては、当初は電流磁場駆動法が提案された。強磁性層の近傍に金属導線を設け、導線に電流を流して磁場を発生し、この磁場の向きおよび強度を調整することで記録素子の強磁性層の一方を磁化反転させるものである。しかしながらこの方法では1つの記録素子で1ビットの情報しか記録再生できず将来の高密度化の要求に対して十分ではない。さらに、電流により磁場を発生することから、情報書込みのため消費電力が大きいという問題があった。
Recently, giant magnetoresistive (GMR) effect elements composed of ferromagnetic layers / nonmagnetic metal layers / ferromagnetic layers or ferromagnetic spin tunnel junction (MTJ) elements composed of ferromagnetic layers / insulator layers / ferromagnetic layers have been developed. The application is expected as a novel magnetic field sensor and magnetic memory. These utilize the fact that the electrical resistance varies depending on the combination of the magnetization directions of the opposing ferromagnetic layers. Recording is performed by changing the combination of the magnetization directions by reversing the magnetization of one of the ferromagnetic layers.
As a method for causing magnetization reversal, a current magnetic field driving method was originally proposed. A metal conductor is provided in the vicinity of the ferromagnetic layer, a current is passed through the conductor to generate a magnetic field, and the direction and strength of the magnetic field are adjusted to reverse the magnetization of one of the ferromagnetic layers of the recording element. However, with this method, only one bit of information can be recorded / reproduced with one recording element, which is not sufficient for future demands for higher density. Furthermore, since a magnetic field is generated by an electric current, there is a problem that power consumption is large for writing information.
この問題を解決する方法として、電流磁場ではなくスピン偏極した電子の直接注入により情報書込みを行う提案がなされ、現在注目を集めている(例えば、非特許文献1参照。)。
図6はスピン注入を用いて2値の情報を記録再生する記録素子100の構成例を示すものである(例えば、特許文献1参照。)。基板101の上に、固定層電極102を介して強磁性固定層103、非磁性の分離層104、強磁性自由層107および自由層電極109が形成されている。強磁性固定層103は、例えば膜厚を厚くする等の方法によって強く磁化されており、外部磁場による磁化反転を起こりにくくしている。また、強磁性自由層は、例えば薄膜化する等の方法により、磁化反転を起こり易くしている。図6は強磁性固定層の磁化が紙面左向きの場合を例にとって示したもので、図中で白抜きの矢印は各磁性層の磁化の向きを表し、両方向の矢印を併記した層は磁化の向きが両方向を取りうることを表している。以下の図の表記も同様である。また、以下の説明では磁化の向きを図中の白抜き矢印の向きと対応させて右向き、左向きと呼ぶことにする。電子スピンの向きについても同様に右向き、左向きと呼ぶ。
As a method for solving this problem, a proposal has been made to write information by direct injection of spin-polarized electrons instead of a current magnetic field, and currently attracting attention (see, for example, Non-Patent Document 1).
FIG. 6 shows a configuration example of a
強磁性固定層の磁化が固定された状態で、強磁性自由層と強磁性固定層の間で電子を流した場合、電子の有するスピンにより強磁性自由層の磁化が反転する。これをスピン注入磁化反転と呼んでいる。
固定層電極から自由層電極に向けて電子を流す場合を考えると、固定層電極中では、電子のスピンの分布は右向き、左向きが一致しているが、強磁性固定層中では電子スピンと磁性金属原子スピンとの相互作用(s−d相互作用)が働き、かつ強磁性固定層が厚膜のために、電子スピンは強磁性固定層の磁化方向(左向き)に整列する。このようにスピン偏極した電子が分離層を介して強磁性自由層に注入されると、強磁性自由層の磁化は、強磁性固定層の磁化方向と平行になる向きのトルクを受ける。注入する電子密度を十分に大きくした場合は、強磁性自由層は磁化反転して強磁性固定層の磁化に平行な状態へ遷移するものと理解されている。以下、強磁性自由層の磁化方向が反転する臨界電流密度を磁化反転電流密度と呼ぶ。
When electrons flow between the ferromagnetic free layer and the ferromagnetic fixed layer while the magnetization of the ferromagnetic fixed layer is fixed, the magnetization of the ferromagnetic free layer is reversed by the spin of the electrons. This is called spin injection magnetization reversal.
Considering the case where electrons flow from the fixed layer electrode to the free layer electrode, the distribution of electron spins in the fixed layer electrode is rightward and leftward, but in the ferromagnetic fixed layer, electron spin and magnetism are the same. Since the interaction with the metal atom spin (sd interaction) works and the ferromagnetic pinned layer is thick, the electron spin is aligned in the magnetization direction (leftward) of the ferromagnetic pinned layer. When the spin-polarized electrons are injected into the ferromagnetic free layer through the separation layer, the magnetization of the ferromagnetic free layer receives a torque in a direction parallel to the magnetization direction of the ferromagnetic fixed layer. It is understood that when the electron density to be injected is sufficiently increased, the ferromagnetic free layer undergoes magnetization reversal and transitions to a state parallel to the magnetization of the ferromagnetic fixed layer. Hereinafter, the critical current density at which the magnetization direction of the ferromagnetic free layer is reversed is referred to as a magnetization reversal current density.
一方、電流の向きを逆にして、強磁性自由層から強磁性固定層に電子を注入する場合は、強磁性固定層と逆向きである右向きのスピンを持つ電子は、左向きのスピンを持つ電子に比べて強磁性固定層に注入される際のポテンシャル障壁が高くなる。このため、右向きスピンの電子は強磁性固定層との界面で反射され、反射した電子が強磁性自由層の磁化に右向きのトルクを与え、その磁化を右向きに揃えようとする。この結果、磁化反転電流密度以上の電子を流すことで強磁性自由層の磁化は強磁性固定層と反平行になる。したがって、この三層構造のスピン注入磁化反転素子では、磁化反転電流密度以上の電流を流し、その電流の向きを変えることによって強磁性固定層と強磁性自由層の磁化を平行または反平行にすることが可能である。この2つの状態は、磁化反転電流密度未満では保持される。また、2つの状態は素子の電気抵抗が異なるため、それぞれ、“0”、“1”とに対応させることで、2値記録素子として使用することができる。 On the other hand, when electrons are injected from the ferromagnetic free layer into the ferromagnetic pinned layer with the current direction reversed, electrons with a rightward spin that is opposite to the ferromagnetic pinned layer are electrons with a leftward spin. The potential barrier when injected into the ferromagnetic pinned layer is higher than. For this reason, electrons with rightward spin are reflected at the interface with the ferromagnetic pinned layer, and the reflected electrons give a rightward torque to the magnetization of the ferromagnetic free layer and attempt to align the magnetization to the right. As a result, the magnetization of the ferromagnetic free layer becomes antiparallel to the ferromagnetic pinned layer by flowing electrons having a magnetization reversal current density or higher. Therefore, in the spin-injection magnetization reversal element having this three-layer structure, the magnetization of the ferromagnetic fixed layer and the ferromagnetic free layer are made parallel or antiparallel by passing a current higher than the magnetization reversal current density and changing the direction of the current. It is possible. These two states are maintained below the magnetization reversal current density. In addition, since the electric resistance of the element is different between the two states, it can be used as a binary recording element by corresponding to “0” and “1”, respectively.
2値記録素子を多数集積することにより大容量の磁気記録装置を構成することができる。図8は、その構成例を示したもので、複数の記録素子100をマトリックス状に配置してこれらをビット線121、ワード線122で連結し、各記録素子100をFET(電界効果トランジスタ)等の駆動素子120を用いて選択あるいは動作させるものである。
しかしながら、2値記録素子の場合は、2値の情報に対して一つの駆動素子が必要となることから、記録容量を高めるに従って駆動素子の占める面積、消費電力が増大して記録装置を構成する障害となる。
この障害を克服するために多値記録を行う方法が模索されている。図7は、特許文献2で提案されているもので、2値記録素子を多数積層することにより多値記録を行うものである。本願の用語を用いて示せば、強磁性第1固定層131、第1分離層141、強磁性第1自由層151、第2分離層142、強磁性第2固定層132、第3分離層143、強磁性第2自由層152、第4分離層144、強磁性第3固定層133から構成されている。強磁性自由層を強磁性固定層で挟む構成を有しているものの、基本的には図6の素子を積み重ねたもので、強磁性第1自由層151および強磁性第2自由層152の磁性材料や膜厚を変えることによって、それぞれの層の磁化反転電流密度を変えることにより多値化が可能とされている。
However, in the case of a binary recording element, since one driving element is required for binary information, the area occupied by the driving element and the power consumption increase as the recording capacity is increased to constitute a recording apparatus. It becomes an obstacle.
In order to overcome this obstacle, a method of performing multilevel recording is being sought. FIG. 7 is proposed in
上述の多値記録の方法は、2値記録を行う素子を複数積層することを想定したものである。従って、磁化反転を記録する強磁性自由層の層毎に少なくとも1層の強磁性固定層を配置することが必要となることから、多値記録の数が増大するに伴い強磁性固定層の層数は増大する。しかしながら、強磁性固定層は磁化を固定して容易に変動しないために充分な膜厚を有することが必要とされている。この結果、複数の強磁性固定層を備える場合には、素子抵抗は増大し、動作時の消費電力が増大することとなる。
また、磁化反転電流密度を設定する数としては、強磁性自由層の層の数が必要となることから、各磁化反転電流密度に許容される変動幅は制約が生じ、層数が増大するほど許容幅が減少して記録素子を製造する際の難易度が増加することとなる。強磁性自由層は磁化の反転を容易にするために薄層とすることが好ましいため、薄層とするための難易度と合わせて製造上の難易度が増大する。
The above-described multi-value recording method assumes that a plurality of elements for performing binary recording are stacked. Accordingly, since it is necessary to dispose at least one ferromagnetic pinned layer for each ferromagnetic free layer that records magnetization reversal, as the number of multilevel recordings increases, the layers of the ferromagnetic pinned layer increase. The number increases. However, the ferromagnetic pinned layer is required to have a sufficient thickness in order to fix the magnetization and not easily fluctuate. As a result, when a plurality of ferromagnetic pinned layers are provided, the element resistance increases and the power consumption during operation increases.
In addition, since the number of ferromagnetic free layers is required as the number for setting the magnetization reversal current density, the variation width allowed for each magnetization reversal current density is limited, and the number of layers increases. The tolerance is reduced, and the difficulty in manufacturing the recording element is increased. Since the ferromagnetic free layer is preferably a thin layer in order to facilitate the reversal of magnetization, the difficulty in manufacturing increases in addition to the difficulty in forming a thin layer.
本発明はこのような点に着目してなされたものであり、本発明の目的は、抵抗増加を抑制して多値記録を可能とする記録素子を提供するものである。また、磁化反転電流密度の許容幅を削減することなく多値記録を可能とする記録素子を提供するものである。さらには、多値記録が可能なスピン注入磁化反転素子により、記録素子を駆動する素子の増加を抑制した磁気記録装置を提供するものである。 The present invention has been made paying attention to such points, and an object of the present invention is to provide a recording element capable of multi-value recording by suppressing an increase in resistance. It is another object of the present invention to provide a recording element that enables multi-value recording without reducing the allowable width of the magnetization reversal current density. Furthermore, the present invention provides a magnetic recording apparatus in which an increase in the number of elements that drive the recording element is suppressed by a spin-injection magnetization reversal element capable of multilevel recording.
上記の目的を達成するため、本発明は、強磁性固定層、非磁性の分離層および強磁性自由層をこの順に備えたスピン注入磁化反転素子において、前記分離層が相互に離間する2以上の領域に分割されて前記強磁性固定層の同一面上に配置され、前記分離層の各領域上にそれぞれ強磁性自由層を設けたことを特徴とする。
あるいは、強磁性固定層、非磁性の分離層および強磁性自由層をこの順に備えたスピン注入磁化反転素子において、前記強磁性自由層が相互に離間する2以上の領域に分割されて前記分離層の同一面上に配置されていてもよい。
前記強磁性自由層の主面の内、分離層側と反対側の主面に自由層電極を設けることが好ましい。
また、前記強磁性固定層の主面の内、分離層側と反対側の主面に固定層電極を設けることが好ましい。
In order to achieve the above object, the present invention provides a spin-injection magnetization switching device including a ferromagnetic pinned layer, a nonmagnetic separation layer, and a ferromagnetic free layer in this order, wherein the separation layers are separated from each other. It is divided into regions and arranged on the same plane of the ferromagnetic pinned layer, and a ferromagnetic free layer is provided on each region of the separation layer.
Alternatively, in a spin-injection magnetization reversal element including a ferromagnetic pinned layer, a nonmagnetic separation layer, and a ferromagnetic free layer in this order, the ferromagnetic free layer is divided into two or more regions that are separated from each other. May be arranged on the same plane.
It is preferable to provide a free layer electrode on the main surface of the ferromagnetic free layer opposite to the separation layer side.
Moreover, it is preferable to provide a fixed layer electrode on the main surface of the ferromagnetic fixed layer opposite to the separation layer side.
また、相互に離間する前記領域の数が2であることが好ましい。
本発明は、記録装置において、上述したいずれかのスピン注入磁化反転素子を複数連結したことを特徴とする。
1の前記スピン注入磁化反転素子を1のFETで駆動することが好ましい。
また、相互に離間する前記領域の数が2であるスピン注入磁化反転素子を複数連結した記録装置において、一方の前記強磁性自由層に対する配線をビット線とし、他方の前記強磁性自由層に対する配線をワード線とし、前記強磁性固定層に対する配線を書込みワード線として、該ビット線、ワード線および書込みワード線の内のいずれかの2線を選択した時に、該2線間で導通する前記スピン注入磁化反転素子が1以下であることを特徴とする。
Further, it is preferable that the number of the regions separated from each other is two.
The present invention is characterized in that in the recording apparatus, a plurality of the above-described spin-injection magnetization switching elements are connected.
It is preferable that one spin injection magnetization switching element is driven by one FET.
Further, in a recording apparatus in which a plurality of spin-injection magnetization reversal elements having two regions separated from each other are connected, a wiring for one of the ferromagnetic free layers is a bit line and a wiring for the other ferromagnetic free layer And the wiring to the ferromagnetic pinned layer as a write word line, and when any two of the bit line, the word line, and the write word line is selected, the spin that conducts between the two lines The injection magnetization reversal element is 1 or less.
スピン注入磁化反転素子を上述のように構成することにより、抵抗値の高い強磁性固定層の数を抑制して抵抗増加を低く抑えながら多値記録が可能となる。また、各強磁性自由層の磁化反転動作を独立して制御できることから、磁化反転電流密度の許容幅を削減する必要がないため、製造が容易な多値記録素子を提供することが可能となる。さらには、多値記録が可能なスピン注入磁化反転素子により、記録素子を駆動する素子の増加を抑制した磁気記録装置を提供することができる。 By configuring the spin-injection magnetization switching element as described above, multi-value recording can be performed while suppressing the number of ferromagnetic fixed layers having a high resistance value and suppressing an increase in resistance. Further, since the magnetization reversal operation of each ferromagnetic free layer can be controlled independently, it is not necessary to reduce the permissible width of the magnetization reversal current density, and therefore it is possible to provide a multi-value recording element that is easy to manufacture. . Furthermore, it is possible to provide a magnetic recording apparatus in which an increase in the number of elements that drive the recording element is suppressed by a spin-injection magnetization reversal element capable of multilevel recording.
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。図1は、本発明の記録素子20の構成例を説明するための断面模式図で、非磁性基板1上に固定層電極2、強磁性固定層3が形成され、強磁性固定層3の上には、第1分離層5、第2分離層6がそれぞれ形成されている。さらに、第1分離層5上に強磁性第1自由層7、第1自由層電極9がこの順に形成されており、また、第2分離層6上に強磁性第2自由層8、第2自由層電極10がこの順に形成されている。以下、強磁性第1自由層7と強磁性第2自由層8の両者を合わせて単に強磁性自由層とも称し、第1自由層電極9と第2自由層電極10の両者を合わせて単に自由層電極とも称し、また、第1分離層5と第2分離層6の両者を合わせて単に分離層とも称す。
(動作原理)
始めに本素子の動作原理について説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view for explaining a configuration example of a
(Operating principle)
First, the operation principle of this element will be described.
図2は本素子に書込みを行う際の動作を説明するための断面模式図である。図2aは、強磁性固定層3、強磁性第1自由層7、強磁性第2自由層8の磁化の向きがすべて同一方向にある場合を示すもので、図では紙面左向きの磁化を例にとって示している。この状態にあるときを“0”とする。書込み動作としては、各自由層電極から固定層電極に向けて磁化反転電流密度以上の電流を流すことにより行う。即ち、電子は固定層電極から各自由層電極に向けて流れることになる。固定層電極2から強磁性固定層3に注入された電子は、強磁性固定層3を移動する際に強磁性固定層の磁化の向きにスピン偏極する。電子は引き続き各分離層を介して各強磁性自由層に注入され、かつ、各強磁性自由層に注入される電子の密度が磁化反転に必要な密度以上であることから各強磁性自由層の磁化は強磁性固定層3の磁化と同じ向きに揃うこととなる。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view for explaining the operation when writing to this element. FIG. 2a shows a case where the magnetization directions of the ferromagnetic pinned
図2bは、図2aの状態から一方の強磁性自由層を磁化反転する例を示すもので、図2bでは強磁性第2自由層8が磁化反転した状態を例にとって示している。書込み動作としては、固定層電極2から第2自由層電極10に向けて磁化反転電流密度以上の電流を流すことによって行う。この場合は、強磁性自由層8が薄膜である等の理由により、自由層電極10から強磁性自由層8に注入された電子のスピン偏極は僅かにとどまり、引き続いて強磁性固定層3に注入される際に強磁性固定層3と逆向きのスピンを有する電子は強磁性自由層8に向けて反射され、強磁性自由層8の磁化を強磁性固定層3の磁化と逆向きである右向きに磁化反転させることとなる。図2bの状態を“1”とする。
図2cは、強磁性自由層が両者とも磁化反転した状態を示すもので、書込み動作としては、固定層電極2から各自由層電極に向けて磁化反転電流密度以上の電流を流すことにより行う。磁化反転の原理としては図2bの例と同様である。図2cの状態を“2”とする。
FIG. 2b shows an example in which the magnetization of one ferromagnetic free layer is reversed from the state of FIG. 2a. FIG. 2b shows an example of the state in which the magnetization of the ferromagnetic second
FIG. 2c shows a state in which both ferromagnetic free layers have undergone magnetization reversal, and the write operation is performed by flowing a current equal to or higher than the magnetization reversal current density from the fixed
以上のようにして、記録素子20の磁化状態を異なる3種類の状態に変化、保持させることができる。なお、固定層電極2と各自由層電極の間で電流を流すことによって、各強磁性自由層をそれぞれ独立して磁化反転させることが可能である。従って、各強磁性自由層の磁化反転電流密度はそれぞれ独立に設定可能であり、例えば、両者の磁化反転電流密度をまったく同一としても動作が可能であり、記録素子形成の際の製造上の余裕を高く保持することができる。
次に記録された情報の読み出しもしくは再生について説明する。読み出しは第1自由層電極9と第2自由層電極10との間に磁化反転電流密度未満の電流を流して抵抗値を判定することにより行う。分離層が非磁性金属層の場合はGMR効果を利用し、分離層が絶縁層の場合はMTJ効果を利用する。いずれの効果も、分離層を挟んで隣接する強磁性層間の抵抗が両者の磁化の向きにより異なることを利用しており、両者の磁化の向きが平行な場合に抵抗が小さく、反平行な場合に抵抗が大きくなる。第1自由層電極9から第2自由層電極10に向けて電流を流す場合を例にとると、電流は強磁性第1自由層7、第1分離層5、強磁性固定層3、第2分離層6、強磁性第2自由層8の経路をたどることになり、分離層を挟んで隣接する強磁性層間の流れが2回生じている。図2aから図2cの状態は、隣接する磁化の向きの組み合わせがそれぞれ異なることから抵抗値がそれぞれ異なることになる。図3は、第1自由層電極9と第2自由層電極10の間に電流を流す場合の電流と電圧の関係を説明するための図で、図3に示すように各状態を判別することが可能である。図2aの状態“0”の場合は、各強磁性層の磁化が同一の向きになっており、抵抗が最も小さい。図2cの状態“2”の場合は、隣接する強磁性層の磁化の向きが2箇所とも反平行であり、抵抗が最も大きくなる。図2bの状態“1”の場合は、隣接する強磁性層の磁化の向きが一箇所で反平行であり、抵抗が中間になる。
As described above, the magnetization state of the
Next, reading or reproduction of recorded information will be described. Reading is performed by flowing a current less than the magnetization reversal current density between the first free layer electrode 9 and the second
次に、本素子を多数集積した場合の情報の書込み、読み出し方法について説明する。図5は本素子を集積して大容量の磁気記録装置を構成する場合の回路の構成例を説明するためのもので、複数の記録素子20をn×nの正方マトリックス状に配置した例について示している。各記録素子20はビット線31、ワード線32、書込みワード線33で連結し、各記録素子20をFET等の駆動素子30を用いて選択あるいは動作させている。図中、BLkはk番目のビット線を表し、WLkはk番目のワード線を表し、WWLkはk番目の書込みワード線を表している。また、(i、j)は記録素子の番号を表すもので、i番目のビット線BLi、j番目のワード線WLjに接続された記録素子であることを表している
駆動素子30は、第1自由層電極9または第2自由層電極10の何れか一方と接続する。以下、分かりやすさのために、駆動素子30を第1自由層電極9と接続する場合、即ち、強磁性第1自由層7に対して配線する場合を例にとって説明する。
Next, a method for writing and reading information when a large number of the elements are integrated will be described. FIG. 5 is a diagram for explaining an example of the configuration of a circuit in the case where this element is integrated to constitute a large-capacity magnetic recording apparatus. In this example, a plurality of
ビット線31は第2自由層電極10と接続し、ワード線32は駆動素子30を介して第1自由層電極9と接続する。より具体的には、ワード線32は駆動素子30の制御部、例えばFETの場合はゲートと接続する。書込みワード線33は記録素子20の固定層電極2と接続する。即ち、ビット線31を強磁性第2自由層8、ワード線32を強磁性第1自由層7、書込みワード線33を強磁性固定層3に対して配線する。
このように接続することで任意の記録素子の強磁性第1自由層7、強磁性第2自由層8の磁化の向きを磁化反転することが可能となる。強磁性第1自由層7の磁化を反転する場合は、書込みを行う記録素子と接続されているワード線および書込みワード線を選択し、両線の間に磁化反転電流密度以上の電流を流す。強磁性固定層3と同じ向きに磁化を反転する場合は、ワード線から書込みワード線に向かう向きに電流を流す。強磁性固定層3と逆の向きに磁化を反転する場合は、書込みワード線からワード線に向かう向きに電流を流せばよい。強磁性第2自由層8の磁化を反転する場合は、書込みを行う記録素子と接続されているビット線および書込みワード線を選択し、両線の間に磁化反転電流密度以上の電流を流す。強磁性固定層3と同じ向きに磁化を反転する場合は、ビット線から書込みワード線に向かう向きに電流を流す。強磁性固定層3と逆の向きに磁化を反転する場合は、書込みワード線からビット線に向かう向きに電流を流せばよい。
By connecting in this way, the magnetization directions of the ferromagnetic first
記録素子の状態を読み出す場合は、読み出しを行う記録素子と接続されているワード線とビット線を選択し、磁化反転電流密度未満の電流を用いて抵抗を判別すればよい。
なお、ワード線WLi、ビット線BLj、書込みワード線WWLkの内のいずれの2線を選択しても、同一の組み合わせとなる配線で動作するあるいは導通する記録素子は一つ以下とすることが必要である。言葉を変えれば、番号i、j、kの内の任意の2つの組み合わせ、具体的には、(i、j)、(i、k)または(j、k)のいずれにおいても、同一の番号組み合わせに接続される記録素子は1つ以下となるように接続することが必要である。この理由は、例えば、BL1とWWL1の両者に接続される記録素子が2つある場合は、強磁性第2自由層8の書換えが2つの記録素子で同時に行われることになるからである。なお、図5の例においては、例えばWL1とWWLnの組み合わせのように、記録素子に配線されない組み合わせも存在する。
When reading the state of the recording element, a word line and a bit line connected to the recording element to be read out are selected, and the resistance is determined using a current less than the magnetization reversal current density.
Note that, when any two of the word lines WL i , bit lines BL j , and write word lines WWL k are selected, the number of recording elements that operate or conduct with the same combination of wirings is one or less. It is necessary. In other words, any combination of any two of the numbers i, j, k, specifically, the same number in any of (i, j), (i, k) or (j, k) It is necessary to connect so that the number of recording elements connected to the combination is 1 or less. This is because, for example, when there are two recording elements connected to both BL 1 and WWL 1 , rewriting of the ferromagnetic second
このためには、書込みワード線は、記録素子のマトリックス状配置(i、j)に対して、第i行からは一つ以下の記録素子を、第j列からも一つ以下の記録素子を選択して接続すればよい。
書込みワード線WWLkと記録素子20とは、例えば次のように接続する。
1) kが1ないしnの場合
番号が(α、α+k−1)の記録素子グループと接続する。
但し、1≦α≦n−k+1
2) kがn+1ないし2n−1の場合
番号が(β、β−k+n)の記録素子グループと接続する。
但し、k−n+1≦β≦n
このように接続することで、集積された記録素子の内の一つの記録素子だけを選択して書込みもしくは読み出しを行うことができるようになる。また、一つの駆動素子で3値の記録を行うことが可能となる。
For this purpose, the write word line has no more than one recording element from the i-th row and no more than one recording element from the j-th column with respect to the matrix arrangement (i, j) of the recording elements. Select and connect.
The write word line WWL k and the
1) When k is 1 to n Connect to the recording element group with the number (α, α + k−1).
However, 1 ≦ α ≦ n−
2) When k is n + 1 to 2n−1 Connect to the recording element group with the number (β, β−k + n).
However, k−
By connecting in this manner, only one recording element among the integrated recording elements can be selected for writing or reading. In addition, ternary recording can be performed with one driving element.
(各層の構成)
次に、本素子を構成する各層の構成について説明する。
基板1の材料は、基板上に配置する複数の素子を独立に制御するために絶縁性を有し、また、素子を保持するために充分な剛性を有する材料であれば、所望の平坦度に応じて適宜選択可能である。例えば、サファイア、酸化シリコンなどの厚さ数100μmの絶縁基板や、表面を酸化し絶縁性を確保した半導体基板等が使用できる。
固定層電極2は、導電性の材料であれば適宜選択可能であり、その厚さは数十nmから数百nm、面積は20nm×20nmから10μm×10μmの範囲が好ましい。その形状は四角形状が好ましいが、所望により丸型、楕円形状等とすることもできる。
強磁性固定層3および各強磁性自由層は、磁化の配向方向を基板面に平行な特定方向(例えば、図1の左右方向)とすることが好ましい。磁化をそのような向きに配向させるには強磁性層に形状異方性を持たせることが有効である。このため、強磁性層の厚みをTとし、強磁性層を配向する方向を長さ(L)として、これと直行する方向を幅(W)とした時に、L/W≧2、L/T≧2とすることが好ましい。従って、固定層電極2は強磁性固定層3の主面に設け、各自由層電極も各強磁性自由層の主面に設けることが好ましい。
(Configuration of each layer)
Next, the structure of each layer constituting this element will be described.
The material of the
The fixed
The ferromagnetic pinned
強磁性固定層3の磁性材料としては、磁気異方性定数および保磁力の大きな材料が好ましく、なかでも、Co、CoPt合金、FePt、CoCr、CoPtCr、CoPtCrB、CoPtCrTaB、CoPt人工格子膜、CoPd人工格子膜、CoPtCr−SiO2グラニュラー膜等が特に好ましい。強磁性固定層の膜厚は、磁化を充分に固定し、かつ電子スピンを揃えるために厚いことが好ましく、具体的には50nm以上とすることが好ましい。
第1分離層5、第2分離層6は、強磁性層間の磁気的な分離を確保するための層で、強磁性固定層と強磁性自由層の間に設けられ、非磁性の材料を用いることが必要である。その材料としては、非磁性金属、酸化物が好ましい。非磁性金属の場合はCu、V、Nb、Mo、Rh、Ta、W、Re、Ir、PtおよびPdの内の少なくとも1種以上を用いることが好ましく、酸化物の場合は、アルミの酸化物またはMgOが好ましい。また、これら非磁性金属膜と酸化物の二層積層膜を用いることができる。各分離層の膜厚は、強磁性層間の磁気的な分離性を確保するために3nm以上とすることが好ましく、電気抵抗を低減するためには10nm以下とすることが好ましい。
As the magnetic material of the ferromagnetic pinned
The
強磁性第1自由層7、強磁性第2自由層8の磁性材料としては、磁性金属、強磁性半導体もしくは強磁性酸化物を使用することができる。例えば、Co、CoCr合金、CoPtCr合金、CoPtCrB合金、CoPtCrTaB合金、パーマロイ系合金(例えば、Ni80Fe20、NiFeMo合金等)、Fe、FeCo系合金(例えば、CoFeB、NiCoFe、FeCoN等)、NiMnSb合金、Co2MnAl合金、Co2MnSi合金、Co2MnGe合金、CoCrFeAl合金、FePt合金、Sr2FeMoO6合金、Fe2O3合金、CoHfTa合金、CoZrNb合金、FeAlN合金、FeTaN合金等を用いることができる。
中でもCoCr系合金、CoPt系合金またはCoPtCr系合金が特に好ましい。これは、PtまたはCrの濃度を調整することにより、一軸磁気異方性定数(Ku)、保磁力(Hc)を広い範囲で調整することが可能なことから、各強磁性自由層の磁化反転電流密度を所望の値に容易に設定できるためである。各強磁性自由層の膜厚は電子スピンの緩和距離に比べて薄くすることが必要である。電子スピンの緩和距離は、金属では100から200nm程度であるため、各強磁性自由層の膜厚は50nm以下が好ましく、電子スピンの偏極状態を好適に制御するためには、5nm以上、20nm以下が特に好ましい。
As the magnetic material of the ferromagnetic first
Among these, a CoCr alloy, a CoPt alloy, or a CoPtCr alloy is particularly preferable. This is because the uniaxial magnetic anisotropy constant (Ku) and coercive force (Hc) can be adjusted over a wide range by adjusting the concentration of Pt or Cr. This is because the current density can be easily set to a desired value. The thickness of each ferromagnetic free layer needs to be thinner than the relaxation distance of electron spin. Since the relaxation distance of electron spin is about 100 to 200 nm for metal, the thickness of each ferromagnetic free layer is preferably 50 nm or less. In order to suitably control the polarization state of electron spin, it is 5 nm or more and 20 nm. The following are particularly preferred:
第1自由層電極9、第2自由層電極10は、導電性の材料であれば適宜選択可能であり、その厚さは数十nmから数百nmが好ましく、形状は強磁性自由層と同等とすることが好ましい。
(他の実施の形態)
図1の構成は本発明の素子の基本構成を示すものであり、各構成要素を適宜変更して目的に応じた改変を行うことが可能である。以下、変形例について例示する。
図4は、非磁性の分離層4を単一の層で構成した例である。分離層として絶縁層を用いる場合には、製造工程が簡便になることから分離層を単一の層から構成することは特に好ましい。分離層を非磁性金属から構成する場合においても、分離層が薄層であることからその電気抵抗は高く、単一の層で構成しても動作可能である。
The first free layer electrode 9 and the second
(Other embodiments)
The configuration of FIG. 1 shows the basic configuration of the element of the present invention, and each component can be appropriately changed and modified according to the purpose. Hereinafter, a modification is illustrated.
FIG. 4 shows an example in which the nonmagnetic separation layer 4 is composed of a single layer. In the case where an insulating layer is used as the separation layer, it is particularly preferable that the separation layer is composed of a single layer because the manufacturing process becomes simple. Even when the separation layer is made of a nonmagnetic metal, since the separation layer is a thin layer, its electric resistance is high, and it can operate even if it is made of a single layer.
強磁性固定層は外部磁場により磁化が容易に反転しないことが要求されるため、磁化の固定を強化するために、公知の反強磁性結合、強磁性結合等を形成することを目的として多層構成とすることもできる。
また、上述の説明では強磁性自由層が2つの場合について説明したが、3以上の強磁性自由層を用いてさらに多値の記録を行うことができることは言うまでもない。この場合も、各強磁性自由層間の導通は強磁性固定層を介して行われることが必要である。即ち、強磁性自由層同士が直接導通することがないように、相互に離間する複数の領域に分割して分離層の同一面上に配置する。あるいは、分離層を相互に離間する複数の領域に分割して強磁性固定層の同一面上に配置した上で、各分離層上にそれぞれ強磁性自由層を形成する。ここで、強磁性自由層もしくは分離層の複数の領域が相互に離間するとは、複数の領域間に空隙を設けた配置、あるいは複数の領域間に絶縁物を設けた配置等、複数の領域間が直接導通することがない配置を意味している。書込みは、強磁性自由層が2つの場合と同様に、強磁性固定層と書込みを行う強磁性自由層の間で磁化反転電流密度以上の電流を流すことにより行う。各強磁性自由層はそれぞれ独立して磁化反転を行うことが可能であり、磁化反転電流密度に許容される変動幅は強磁性自由層が一つの場合と同等である。従って、多値化の程度を増大しても製造上の難易度が大きく変わることはない。各層の材料、サイズ等は前述したものを用いることができる。
Since the ferromagnetic pinned layer is required not to easily reverse its magnetization by an external magnetic field, it has a multilayer structure for the purpose of forming known antiferromagnetic coupling, ferromagnetic coupling, etc. in order to strengthen the pinning of magnetization. It can also be.
In the above description, the case where there are two ferromagnetic free layers has been described. Needless to say, multi-value recording can be performed using three or more ferromagnetic free layers. In this case as well, conduction between the ferromagnetic free layers needs to be performed via the ferromagnetic fixed layer. That is, the ferromagnetic free layers are arranged on the same surface of the separation layer by being divided into a plurality of regions separated from each other so that the ferromagnetic free layers do not directly conduct with each other. Alternatively, the separation layer is divided into a plurality of regions separated from each other and arranged on the same surface of the ferromagnetic pinned layer, and then a ferromagnetic free layer is formed on each separation layer. Here, the plurality of regions of the ferromagnetic free layer or the separation layer are separated from each other, such as an arrangement in which a gap is provided between the plurality of areas or an arrangement in which an insulator is provided between the plurality of areas. Means an arrangement that does not conduct directly. Writing is performed by passing a current equal to or higher than the magnetization reversal current density between the ferromagnetic fixed layer and the ferromagnetic free layer to be written, as in the case of two ferromagnetic free layers. Each ferromagnetic free layer can perform magnetization reversal independently, and the fluctuation range allowed for the magnetization reversal current density is equivalent to that of a single ferromagnetic free layer. Therefore, even if the degree of multi-value is increased, the manufacturing difficulty level does not change greatly. The material, size, etc. of each layer can use what was mentioned above.
以下、実施例を用いてさらに詳細に説明する。
図1の構成を用い、分離層として非磁性金属を用いてGMR型の磁気メモリ素子を作製した。
非磁性基板1としてSi基板を用い、Si基板上に固定層電極2として、幅1μm、長さ10μmの形状でCuを200nmの厚さに成膜した。引き続き、固定層電極2上に、強磁性固定層3をCo70Cr20Pt10(ここで、下付き数字は原子%を表す。以下同様である。)を用いて100nmの厚さに形成した。引き続き、強磁性固定層3上に、Cuからなる層厚6nmの第1分離層5、第2分離層6をそれぞれ幅500nm、長さ1μmの形状で形成した。引き続き、第1分離層5上に、第1分離層5と同じ長さ、幅でCo96Pt3Cr1からなる層厚10nmの強磁性第1自由層7、Cuからなる層厚200nmの第1自由層電極9を順次形成し、また、第2分離層6上に、第2分離層6と同じ長さ、幅でCo96Pt3Cr1からなる層厚10nmの強磁性第2自由層8、Cuからなる層厚200nmの第2自由層電極10を順次形成した。以上の各層の成膜はスパッタ法を用いて行った。このようにして、GMR効果を有する3値記録素子を得た。
Hereinafter, it demonstrates in detail using an Example.
A GMR type magnetic memory element was fabricated using the configuration of FIG. 1 and using a non-magnetic metal as a separation layer.
A Si substrate was used as the
実施例の素子を用いて、図2、3で説明した方法により3値記録および読み出しを行った。書込みの電流密度は、自由層を固定層と半平行にする際は6×10−7A/cmにて行い、自由層と固定層を平行にする際には4×10−7A/cmにて行った。読み出しは電圧が10Vにて行い、読み出された電流密度は、状態“0”が12.5mA、状態“1”が12.3mA、状態“2”が12.1mAであり、3値を記録、識別可能であった。 Using the device of the example, ternary recording and reading were performed by the method described in FIGS. The write current density is 6 × 10 −7 A / cm when the free layer is semi-parallel to the fixed layer, and 4 × 10 −7 A / cm when the free layer and the fixed layer are parallel. I went there. Reading is performed at a voltage of 10 V, and the read current density is 12.5 mA in state “0”, 12.3 mA in state “1”, 12.1 mA in state “2”, and three values are recorded. Was identifiable.
1、101 基板
2、102 固定層電極
3、103 強磁性固定層
4、104 分離層
5 第1分離層
6 第2分離層
7 強磁性第1自由層
8 強磁性第2自由層
9 第1自由層電極
10 第2自由層電極
20 記録素子
30 駆動素子
31 ビット線
32 ワード線
33 書込みワード線
100 2値記録素子
107 強磁性自由層
109 自由層電極
120 駆動素子
121 ビット線
122 ワード線
131 強磁性第1固定層
132 強磁性第2固定層
133 強磁性第3固定層
141 第1分離層
142 第2分離層
143 第3分離層
144 第4分離層
151 強磁性第1自由層
152 強磁性第2自由層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,101 Substrate 2,102 Fixed layer electrode 3,103 Ferromagnetic fixed layer 4,104
Claims (8)
前記分離層が相互に離間する2以上の領域に分割されて前記強磁性固定層の同一面上に配置され、
前記分離層の各領域上にそれぞれ強磁性自由層を設けたことを特徴とするスピン注入磁化反転素子。 In the spin-injection magnetization reversal element comprising a ferromagnetic pinned layer, a nonmagnetic separation layer, and a ferromagnetic free layer in this order,
The separation layer is divided into two or more regions separated from each other and disposed on the same plane of the ferromagnetic pinned layer;
A spin injection magnetization reversal element, wherein a ferromagnetic free layer is provided on each region of the isolation layer.
前記強磁性自由層が相互に離間する2以上の領域に分割されて前記分離層の同一面上に配置されていることを特徴とするスピン注入磁化反転素子。 In the spin-injection magnetization reversal element comprising a ferromagnetic pinned layer, a nonmagnetic separation layer, and a ferromagnetic free layer in this order,
The spin injection magnetization reversal element, wherein the ferromagnetic free layer is divided into two or more regions separated from each other and arranged on the same surface of the separation layer.
一方の前記強磁性自由層に対する配線をビット線とし、他方の前記強磁性自由層に対する配線をワード線とし、前記強磁性固定層に対する配線を書込みワード線として、
該ビット線、ワード線および書込みワード線の内のいずれかの2線を選択した時に、該2線間で導通する前記スピン注入磁化反転素子が1以下であることを特徴とする記録装置。 In a recording apparatus in which a plurality of spin injection magnetization reversal elements according to claim 5 are connected,
The wiring for one of the ferromagnetic free layers is a bit line, the wiring for the other ferromagnetic free layer is a word line, and the wiring for the ferromagnetic fixed layer is a write word line,
The recording apparatus, wherein when any two of the bit line, the word line, and the write word line is selected, the spin-injection magnetization switching element that conducts between the two lines is 1 or less.
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