JP4095597B2 - 磁気ランダムアクセスメモリ - Google Patents
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Description
まず、磁気ランダムアクセスメモリの参考例について説明する。
図1は、磁気ランダムアクセスメモリのセルアレイ構造の概要を示している。図2及び図3は、MTJ素子の構造例を示している。
磁気ランダムアクセスメモリを実用化するために解決しなければならない課題に、書き込み電流の低減と、書き込み時におけるビットデータの熱擾乱耐性(ディスターブ耐性)の向上とがある。
Hsw = 4π×Ms×t/F(Oe) …(1)
ここで、Msは、フリー層の飽和磁化、tは、フリー層の厚さ、Fは、最小加工寸法(フリー層の幅)である。
Ku = Hsw×Ms/2 …(2)
また、第二に、書き込み線(例えば、Cu)に、NiFeなどのヨーク材(軟磁性材料)を付加したヨーク配線構造を採用する。ヨーク材は、書き込み線を流れる書き込み電流により発生した磁場を収束し、これを、効率よく、MTJ素子に作用させるための部材である。
ヨーク配線構造について説明する。
MTJ素子の直上に書き込み線が配置される場合、ヨーク材は、この書き込み線の上面及び側面を覆うように形成される。書き込み線に流れる書き込み電流により発生する磁界は、ヨーク材により収束され、MTJ素子に効率よく作用する。
ここで、MTJ素子のサイズは、フリー層の幅で規定され、フリー層の幅は、最小加工寸法Fに等しいものとする。
本発明の例は、MTJ素子の微細化と書き込み電流の低減とを同時に向上させるための新規な書き込み技術に関する。
以下、本発明の例に関わる磁気ランダムアクセスメモリに関し、最良と思われる複数の実施の形態について説明する。
図6は、第1実施の形態に関わる磁気ランダムアクセスメモリを示している。
図7は、第2実施の形態に関わる磁気ランダムアクセスメモリを示している。
図8は、第3実施の形態に関わる磁気ランダムアクセスメモリを示している。
図9は、第4実施の形態に関わる磁気ランダムアクセスメモリを示している。
従って、書き込み時には、選択されたMTJ素子のみに対して熱アシスト電流を流すことができる。
上述の第1乃至第4実施の形態に関しては、各実施の形態の構成要素を適宜組み合せて新たなデバイス構造とすることができる。
(1) 書き込み電流の低減について
上述の第1乃至第4実施の形態に関わる磁気ランダムアクセスメモリを用いれば、MTJ素子のフリー層の幅(設計ルールF)を約0.1μmに設定した場合に、書き込み電流の値を、その目標値である約1mAに設定することにより、熱擾乱による誤書き込みなく、書き込みを行えることが確認された。
垂直磁化タイプMTJ素子によれば、反転磁界がその形状に左右されないため、原理的には、無限に微細化が可能である。つまり、MTJ素子を最新の加工技術、即ち、最小加工寸法で加工することにより、MTJ素子の微細化によるメモリ容量の増大に大いに貢献できる。
以上のように、本発明の例によれば、垂直磁化タイプMTJ素子を使用している反転磁界HswがMTJ素子のサイズに影響されず、MTJ素子の微細化に貢献できる。
磁気ランダムアクセスメモリは、複数のMTJ素子を有し、通常、これらMTJ素子は、アレイ状に配置され、メモリセルアレイを構成している。
MTJ素子ごとにローカルに書き込み線を配置し、この書き込み線に書き込み選択スイッチを接続することにより、選択されたMTJ素子のみに対して選択的に書き込みを行うことができる。
MTJ素子に熱アシストのための選択スイッチを接続し、選択されたMTJ素子に対応する選択スイッチのみをオンにし、そのMTJ素子のみに熱アシスト電流を供給することで、選択されたMTJ素子のみに対して選択的に書き込みを行うことができる。
ここでは、説明を分かり易くするため、両者共に、残留磁化の向きが積層面に垂直な方向となる垂直磁化タイプであるものとする。
ここで、磁性層1に関し、Ku1、Ms1、t1は、それぞれ、磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化、厚さを表している。また、磁性層2に関し、Ku2、Ms2、t2は、それぞれ、磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化、厚さを表している。但し、Ku1 > Ku2とする。
HR1 = Hc1−Hw1 = Hc1−σ/2Ms1・t1 ・・・(3)
HR2 = Hc2+Hw2 = Hc2+σ/2Ms2・t2 ・・・(4)
即ち、大きな保磁力を持つ磁性層1は、それよりも小さな保磁力を持つ磁性層2から交換結合エネルギーの面密度σに依存した保磁力を下げる作用を受け、逆に、小さな保磁力を持つ磁性層2は、それよりも大きな保磁力を持つ磁性層1から交換結合エネルギーの面密度σに依存した保磁力を上げる作用を受ける。
HR3 = (Ms2・t2・Hc2 + Ms1・t1・Hc1)/(Ms2・t2 + Ms1・t1) ・・・(5)
となる。
[A] 高い保磁力を持つ磁性材料は、1×106 erg/cc 以上の高い磁気異方性エネルギー密度を持つ材料により構成される。
・ Fe(鉄)、Co(コバルト)、Ni(ニッケル)のうちの少なくとも1つと、Cr(クロム)、Pt(白金)、Pd(パラジウム)のうちの少なくとも1つとを含む合金からなるもの
規則合金としては、Fe(50)Pt(50)、Fe(50)Pd(50)、Co(50)Pt(50)などがある。不規則合金としては、CoCr合金、CoPt合金、CoCrPt合金、CoCrPtTa合金、CoCrNb合金などがある。
・ Fe、Co、Niのうちの少なくとも1つ又はこれらのうちの1つを含む合金と、Pd、Ptのうちの1つ又はこれらのうちの1つを含む合金とが、交互に積層された構造を持つもの
例えば、Co/Pt人工格子、Co/Pd人工格子、CoCr/Pt人工格子などがある。Co/Pt人工格子を使用した場合及びCo/Pd人工格子を使用した場合においては、抵抗変化率(MR比)は、約40%、という大きな値を実現できる。
希土類金属のうちの少なくとも1つ、例えば、Tb(テルビウム)、Dy(ジスプロシウム)、又は、Gd(ガドリニウム)と、遷移金属のうちの少なくとも1つとからなるアモルファス合金
例えば、TbFe、TbCo、TbFeCo、DyTbFeCo、GdTbCoなどがある。
・ Fe、Co、Niのうちの少なくとも1つと、Cr、Pt、Pdのうちの少なくとも1つとを含む合金に、不純物を添加したもの
規則合金としては、Fe(50)Pt(50)、Fe(50)Pd(50)、又は、Co(50)Pt(50)に、Cu、Cr、Agなどの不純物を加えて磁気異方性エネルギー密度を低下させたものなどがある。不規則合金としては、CoCr合金、CoPt合金、CoCrPt合金、CoCrPtTa合金、又は、CoCrNb合金について、非磁性元素の割合を増加させて磁気異方性エネルギー密度を低下させたものなどがある。
・ Fe、Co、Niのうちの少なくとも1つ又はこれらのうちの1つを含む合金と、Pd、Ptのうちの1つ又はこれらのうちの1つを含む合金とが、交互に積層された構造を持つものであって、前者の元素若しくは合金からなる層の厚さ、又は、後者の元素若しくは合金からなる層の厚さを調整したもの
Fe、Co、Niのうちの少なくとも1つ又はこれらのうちの1つを含む合金についての厚さの最適値と、Pd、Ptのうちの1つ又はこれらのうちの1つを含む合金についての厚さの最適値とが存在し、厚さがこれら最適値から離れるに従い、磁気異方性エネルギー密度は、次第に低下する。
希土類金属のうちの少なくとも1つ、例えば、Tb(テルビウム)、Dy(ジスプロシウム)、又は、Gd(ガドリニウム)と、遷移金属のうちの少なくとも1つとからなるアモルファス合金の組成比を調整したもの
例えば、TbFe、TbCo、TbFeCo、DyTbFeCo、GdTbCoなどのアモルファス合金の組成比を調整し、磁気異方性エネルギー密度を小さくしたものがある。
次に、ヨーク材(軟磁性材料)により挟み込まれたMTJ素子の構造例について説明する。
図23は、MTJ素子の構造例1,2を示している。
MTJ素子は、フリー層11、ピン層12及びこれらの間に配置されるトンネルバリア(絶縁層)13から構成される。フリー層11とヨーク材20との間には、バッファ層14が配置され、ピン層12とヨーク材20との間には、バッファ層14及び結晶配向制御層15が配置される。
構造例2は、MTJ素子のフリー層11及びピン層12に、FePt からなる規則合金を用いた場合の例である。
図24は、MTJ素子の構造例3を示している。
図25は、MTJ素子の構造例4を示している。
図26は、MTJ素子の構造例5を示している。
構造例6は、構造例1〜5において、フリー層及びピン層に積層フェリ磁性構造 (stacked ferrimagnetic structure) を採用した構造に関する。
構造例7は、構造例1〜5において、フリー層及びピン層に、フェリ磁性体又は積層フェリ磁性構造を採用した構造に関する。
図27は、MTJ素子の構造例8を示している。
図28は、MTJ素子の構造例9を示している。
図29は、MTJ素子の構造例10を示している。
構造例10では、MTJ素子に対するデータ書き込み効率をさらに向上させるため、構造例9におけるヨークティップ17及びヨーク材20の形状を工夫している。
図30は、MTJ素子の構造例11を示している。
構造例11では、MTJ素子に対するデータ書き込み効率をさらに向上させるため、構造例9におけるヨーク材20の形状を工夫している。
以上のような構造を持つ垂直磁化タイプMTJ素子において、データ読み出し時に、読み出し電流の値を次第に増加させていく実験を行ったところ、磁界が存在しないにもかかわらず、一定の確率で、フリー層の磁化が反転することが確認された。
次に、メモリセルアレイの回路例について説明する。
図31は、メモリセルアレイの回路例1を示している。
この回路例1は、2本の書き込み線を用いてMTJ素子に対する書き込みを行う例、例えば、MTJ素子と書き込み線とが図8に示すような関係にある場合の例である。
図34は、メモリセルアレイの回路例2を示している。
この回路例2は、1本の書き込み線を用いてMTJ素子に対する書き込みを行う例、例えば、MTJ素子と書き込み線とが図9に示すような関係にある場合の例である。
図36は、メモリセルアレイの回路例3を示している。
この回路例3は、互いに交差する2本の書き込み線を用いてMTJ素子に対する書き込みを行う例であるが、これら2本の書き込み線が交差部で電気的に接続されている点に特徴を有する。この例では、非選択のMTJ素子を経由したいわゆる電流の回り込みを防ぐため、2本の書き込み線の交差部には少なくともMTJと同程度以上の抵抗体を挿入する事が好ましい。
以下、MTJ素子とヨーク付き書き込み線との関係について、いくつかの変形例を説明することにする。
図39は、本発明の例に関わる磁気ランダムアクセスメモリの変形例1を示している。
従って、書き込み時には、選択されたMTJ素子のみに対して熱アシスト電流を流すことができる。
図40は、本発明の例に関わる磁気ランダムアクセスメモリの変形例2を示している。
図41は、本発明の例に関わる磁気ランダムアクセスメモリの変形例3を示している。
従って、書き込み時には、選択されたMTJ素子のみに対して熱アシスト電流を流すことができる。
図42は、本発明の例に関わる磁気ランダムアクセスメモリの変形例4を示している。
図43は、MTJ素子の書き込み線からの距離と発生磁界との関係について示している。
HI × Iw > 4πN・M
を満たすように構成すれば、垂直磁化タイプMTJ素子に対して書き込みが可能になる。
最後に、本発明の例に関わる磁気ランダムアクセスメモリの適用例について説明する。
図44は、DSL(Digital Subscriber line)モデムの例を示している。
図45は、携帯電話の例を示している。
図47は、メモリカードの例を示している。
図48及び図49は、データ転写装置の第1例を示している。
図50は、データ転写装置の第2例を示している。
図51は、データ転写装置の第3例を示している。
本発明の例は、上述の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、構成要素を変形して具体化できる。また、上述の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を構成できる。例えば、上述の形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよいし、異なる形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。
Claims (16)
- 複数の磁気抵抗効果素子と、前記複数の磁気抵抗効果素子のうち、選択された磁気抵抗効果素子にデータ書き込みのための磁場を与える書き込み線と、前記データ書き込みを行っている間、前記選択された磁気抵抗効果素子に熱アシスト電流を流し、前記選択された磁気抵抗効果素子の温度をそれ以外の磁気抵抗効果素子の温度よりも高くする手段とを具備し、
前記複数の磁気抵抗効果素子の各々は、第1磁性層と、前記第1磁性層上の非磁性層と、前記非磁性層上の第2磁性層とからなる積層構造を有し、かつ、前記第1及び第2磁性層の磁化の向きが前記積層構造の積層面に垂直な方向に設定され、
前記第1磁性層下に第1ヨーク材が配置され、前記第2磁性層上に第2ヨーク材が配置され、
前記第1及び第2ヨーク材は、前記熱アシスト電流の経路として使用されることを特徴とすることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。 - 複数の磁気抵抗効果素子と、前記複数の磁気抵抗効果素子のうち、選択された磁気抵抗効果素子にデータ書き込みのための磁場を与える書き込み線と、前記データ書き込みを行っている間、前記選択された磁気抵抗効果素子に熱アシスト電流を流し、前記選択された磁気抵抗効果素子を加熱する手段とを具備し、
前記複数の磁気抵抗効果素子の各々は、第1磁性層と、前記第1磁性層上の非磁性層と、前記非磁性層上の第2磁性層とからなる積層構造を有し、かつ、前記第1及び第2磁性層の磁化の向きが前記積層構造の積層面に垂直な方向に設定され、
前記第1磁性層下に第1ヨーク材が配置され、前記第2磁性層上に第2ヨーク材が配置され、
前記第1及び第2ヨーク材は、前記熱アシスト電流の経路として使用されることを特徴とすることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。 - 前記選択された磁気抵抗効果素子に記憶されたデータをセンスアンプに読み出すための読み出し線をさらに具備し、前記熱アシスト電流は、前記読み出し線を経由して前記選択された磁気抵抗効果素子に与えられ、前記データ書き込みを行っている間、前記読み出し線には前記熱アシスト電流が流れることを特徴とする請求項1又は2に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
- 前記読み出し線は、前記第2ヨーク材に接続されることを特徴とする請求項3に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
- 前記第2磁性層と前記第2ヨーク材との間に配置される引き出し線をさらに具備し、前記読み出し線は、前記引き出し線に接続されることを特徴とする請求項3に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
- 前記第1及び第2ヨーク材は、前記書き込み線を取り囲んでいることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
- 前記熱アシスト電流を生成する電流源をさらに具備し、前記電流源は、読み出し時に使用する読み出し電流を生成する電流源とは異なることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
- 前記第1及び第2磁性層のうちの1つに付加される機能層をさらに具備し、前記機能層は、特定温度を境にして、それより低い温度では、反強磁性体又は常磁性体であり、それより高い温度では、強磁性体で、前記第1又は第2磁性層と交換結合することを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
- 前記機能層は、少なくともFeとRhを含む合金から構成されることを特徴とする請求項8に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
- 前記機能層は、フェリ磁性体から構成されることを特徴とする請求項8に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
- 複数の磁気抵抗効果素子と、書き込み電流とは別に熱アシスト電流を生成する電流生成回路と、前記複数の磁気抵抗効果素子に対応して設けられ、前記複数の磁気抵抗効果素子のうち、選択された磁気抵抗効果素子に前記熱アシスト電流を流すための複数の選択スイッチとを具備し、
前記複数の磁気抵抗効果素子の各々は、第1磁性層と、前記第1磁性層上の非磁性層と、前記非磁性層上の第2磁性層とからなる積層構造を有し、かつ、前記第1及び第2磁性層の磁化の向きが前記積層構造の積層面に垂直な方向に設定され、
前記第1磁性層下に第1ヨーク材が配置され、前記第2磁性層上に第2ヨーク材が配置され、
前記熱アシスト電流により前記選択された磁気抵抗効果素子の温度をそれ以外の磁気抵抗効果素子の温度よりも高くし、前記選択された磁気抵抗効果素子に対してデータ書き込みを実行し、
前記複数の選択スイッチは、前記データ書き込みを行っている間、前記熱アシスト電流を前記選択された磁気抵抗効果素子に流すためのみに使用される
ことを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。 - 前記選択された磁気抵抗効果素子に記憶されたデータをセンスアンプに読み出すための読み出し線をさらに具備し、前記熱アシスト電流は、前記読み出し線を経由して前記選択された磁気抵抗効果素子に与えられ、前記データ書き込みを行っている間、前記読み出し線には前記熱アシスト電流が流れることを特徴とする請求項11に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
- 同一方向に延びる複数の第1書き込み線と、同一方向に延び、前記第1書き込み線に交差する複数の第2書き込み線とをさらに具備し、前記複数の磁気抵抗効果素子は、前記複数の第1及び第2書き込み線により形成される格子の格子間に配置されることを特徴とする請求項11又は12に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
- 第1磁性層と、前記第1磁性層上の非磁性層と、前記非磁性層上の第2磁性層とからなる積層構造を有し、前記第1及び第2磁性層の磁化の向きが前記積層構造の積層面に垂直な方向に設定され、前記第1磁性層下に第1ヨーク材が配置され、前記第2磁性層上に第2ヨーク材が配置される磁気抵抗効果素子に対するデータ書き込みにおいて、
書き込み線に書き込み電流を流し、前記書き込み電流により発生する磁場を前記磁気抵抗効果素子に与えると共に、前記磁気抵抗効果素子のデータをセンスアンプに読み出すための読み出し線に熱アシスト電流を流し、前記熱アシスト電流を前記第1及び第2ヨーク材を経由する経路で前記磁気抵抗効果素子に与えてその加熱を行い、
前記磁場と前記加熱の組み合せにより前記磁気抵抗効果素子に対する前記データ書き込みを実行することを特徴とするデータ書き込み方法。 - データを記憶するメモリとして、請求項1乃至13のいずれか1項に記載の磁気ランダムアクセスメモリを使用したことを特徴とする電子機器。
- 前記電子機器は、DSLモデム、携帯電話、メモリカード、及び、前記メモリカードが搭載される機器のうちのいずれか1つであることを特徴とする請求項15に記載の電子機器。
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