JP6226779B2 - 磁気メモリ、磁気メモリ装置、及び磁気メモリの動作方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、磁気メモリ、磁気メモリ装置、及び磁気メモリの動作方法に関する。

メモリの大容量化を実現する方法として、磁壁を用いたスピンシフトレジスト型の３次元メモリが提案されている。このような３次元メモリは、磁性細線、読出し部、及び書き込み部を含む。このような３次元メモリは、磁性細線とこの読出し部及びこの書き込み部との位置合わせが容易な構造が好ましい。

米国登録特許公報６８３４００５ 米国特許公報２０１２／８３３４４６

本発明の実施形態は、磁性細線との位置合わせが容易で信号アクセスが可能な読み出し部及び書き込み部を有する磁気メモリ、磁気メモリ装置、及び磁気メモリの動作方法を提供する。

本発明の実施形態に係る磁気メモリは、複数の磁区を有する磁性細線と、前記磁性細線の一端を取り囲み、磁化を有する参照層と、前記参照層と前記磁性細線との間に設けられた非磁性層と、前記参照層の両端に設けられ、互いに逆向きの磁化を有する第１の磁化固定部及び第２の磁化固定部と、前記第１の磁化固定部に設けられた第１の電極と、前記第２の磁化固定部に設けられた第２の電極と、前記磁性細線の他端に設けられた第３の電極とを備える。

本発明の実施形態に係る磁気メモリを示す図。 実施形態を説明するための図。 実施形態を説明するための図。 実施形態を説明するための図。 実施形態を説明するための図。 実施形態を説明するための図。 実施形態を説明するための図。 実施形態を説明するための図。 実施形態を説明するための図。 実施形態を説明するための図。 実施形態を説明するための図。 実施形態を説明するための図。 実施形態を説明するための図。 実施形態を説明するための図。 実施形態を説明するための図。 実施形態を説明するための図。 実施形態を説明するための図。 実施形態を説明するための図。

以下図面を参照して、本発明の各実施形態を説明する。同じ符号が付されているものは同様のものを示す。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比係数などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比係数が異なって表される場合もある。

図１は、磁気メモリ１００の断面図である。磁気メモリ１００は、基板１０上に設けられている。図１の矢印は磁化を示す。基板１０は、集積回路が搭載されていても良い。

磁気メモリ１００は、磁性細線２０と、書き込み／読出し部３０とを備える。書き込み／読出し部３０は非磁性層３１、第１の磁化固定部３２及び第２の磁化固定部３３を含む参照層３４を備える。

磁性細線２０はデータを記憶する。磁性細線２０は磁性体からなる細線で形成されている。磁性細線２０は基板１０の表面の法線方向に延在している。磁性細線２０は複数の磁区を有する。磁性細線２０は一端と他端を有する。磁性細線２０の一端には電極４０が設けられている。磁性細線２０の他端は非磁性層３１で取り囲まれている。

磁性細線２０の断面形状は、長方形、正方形、円形、楕円形等である。磁性細線２０の断面形状の中央に非磁性体が埋め込まれていてもよい。磁性細線２０の幅は０．５ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。この幅は、磁性細線２０が延在する方向に直交する方向の大きさに相当する。磁性細線２０の延在方向における長さは、５０ｎｍ以上１００μｍ以下である。しかしながら、この長さは磁気メモリ１００のデータ容量に依存する。

磁性細線２０には、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、及びクロム（Ｃｒ）から選択される少なくとも１つを含む材料を用いることができる。磁性細線２０にはこれらの材料を組み合わせた合金を用いることもできる。さらに、これらの材料を層に含む多層膜を用いることができる。

磁性細線２０の磁化は、磁性細線２０が延在する方向に直交する方向であることが好ましい。磁性細線２０は、希土類遷移金属と３ｄ遷移金属との合金からなるＴｂＦｅＣｏ等の希土類−遷移金属アモルファス合金膜を用いることができる。磁性細線２０は、Ｃｏ／Ｎｉ多層膜、Ｃｏ／Ｐｄ多層膜等の多層膜を用いることができる。磁性細線２０は、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ、ＦｅＰｄ等の規則合金を用いることができる。これらの材料を用いることで、磁性細線２０を形成する膜が、磁性細線２０の延材する方向を含む側壁面に対して垂直方向を磁化容易軸とする垂直磁気異方性を有する。さらに、磁性細線２０が延在する方向に直交する方向に磁性細線２０の磁化を向かせることができる。これ以外に、磁歪を用いること、又は磁性細線２０の結晶方位を揃えることで、磁性細線２０の磁化容易軸を磁性細線２０が延在する方向に直交する方向に向かせることができる。さらに、磁性細線２０の磁化は、磁性細線２０が延在する方向に直交する方向であり、磁性細線２０が延在する方向に直交する面上で異なる角度を持ってもよい。非磁性層３１は参照層３４で取り囲まれている。非磁性層３１は、ＭｇＯを用いることができる。非磁性層３１の膜厚は０．４ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。非磁性層３１には、トンネルバリアとして働く酸化物又は窒化物を用いることができる。これら酸化物又は窒化物を用いると、非磁性層の厚さを薄くすることが出来るため、記録容量をあげることができる。非磁性層３１には、銅、銀、金、アルミニウム、及び白金から選択される少なくとも１つの材料を用いることができる。非磁性層３１にはこれらの材料を組み合わせた合金を用いることもできる。これらの金属を用いることで、非磁性層３１の膜厚を厚くすることができ、製造が容易となる。非磁性層３１には、グラフェンを含むグラファイトを用いることができる。

参照層３４の両端は第１の磁化固定部３２及び第２の磁化固定部３３となっている。第１の磁化固定部３２及び第２の磁化固定部３３は、参照層３４と分離して形成されていてもよい。参照層３４の膜厚は例えば０．４ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。参照層３４は、基板１０の表面に平行であるので、参照層３４は基板１０の表面に平行な方向に寸法を広げることができる。この寸法を大きくすることで、磁性細線２０の幅に対して参照層３４のサイズを大きくすることができる。このため、磁性細線２０と書き込み／読出し部３０との位置合わせを容易にすることができる。参照層３４の基板１０の表面に平行な方向における大きさは例えば０．６ｎｍ以上２０μｍ以下である。

参照層３４には、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、及びクロム（Ｃｒ）から選択される少なくとも１つを含む材料を用いることができる。参照層３４にはこれらの材料を組み合わせた合金を用いることもできる。参照層３４の磁化は、基板１０の表面と平行な面内に向いているとよい。また、その磁化は第１の磁化固定部３２と第２の磁化固定部３３とを結ぶ方向に直交しているとさらによい。

第１の磁化固定部３２の磁化と第２の磁化固定部３３の磁化は互いに反対を向いている。この状態を反平行という。第１の磁化固定部３２の磁化と第２の磁化固定部３３の磁化は、磁性細線２０の磁化と平行もしくは反平行である。第１の磁化固定部３２と第２の磁化固定部３３の材料は参照層３４と同じ材料を用いることができる。反平行の状態にするためには、第１の磁化固定部３２及び第２の磁化固定部３３の材料を変更する、又はイオンを第１の磁化固定部３２もしくは第２の磁化固定部３３の少なくとも一方に照射する。これは、このようにすることで第１の磁化固定部３２と第２の磁化固定部３３の磁気異方性が変更され、異なる保磁力を第１の磁化固定部３２と第２の磁化固定部３３がそれぞれ有するからである。

第１の磁化固定部３２及び第２の磁化固定部３３のスピン偏極方向と磁化との組み合わせを変えることで、反平行の状態を実現できる。例えば、第１の磁化固定部３２にはＴｂ、Ｇｄのような希土類リッチの希土類−遷移金属を用いて、第２の磁化固定部３３にはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉのような３ｄ遷移金属リッチの希土類−遷移金属を用いる。その後、第１の磁化固定部３２及び第２の磁化固定部３３に外部磁化を印加することで第１の磁化固定部３２及び第２の磁化固定部３３の磁化を初期化する。

第１の磁化固定部３２には電極５０が接して設けられている。第２の磁化固定部３３には電極５１が接して設けられている。電極５０、５１は、磁気メモリ１００を書き込み、読出し、又は磁性細線２０の磁壁を移動させるときに電流を流して用いられる。

図２Ａに示すように第１の磁化固定部３２と電極５０との間に第１の反強磁性層３５が設けられ、第２の磁化固定部３３と電極５１との間に第２の反強磁性層３６が設けられていても良い。第１の反強磁性層３５のネール温度と第２の反強磁性層３６のネール温度が異なれば、第１の磁化固定部３２の磁化と第２の磁化固定部３３の磁化を反平行の状態にできる。

図２Ｂに示すように第２の固定部３３と第２の反強磁性層３６との間にＲｕ等の非磁性層３７や磁性層３８を設けても良い。このようにすることで、第１の磁化固定部３２の磁化と第２の磁化固定部３３の磁化を反平行の状態にできる。

磁性細線２０の電極４０と非磁性層３１との間は絶縁層６０で囲まれている。絶縁層６０は、アルミナ、酸化シリコン等の酸化物、又は窒化シリコン等の窒化物、絶縁性ポリマーを用いることができる。磁性細線２０は、厚く積層した誘電体にリソグラフィと反応性イオンエッチングを用いることで溝を掘り、ＡＬＤ法又はＣＶＤ法によって磁性膜を形成した後で、これを細線に加工することで作製することができる。

参照層３４の面は基板１０の表面と平行である。

電極４０は磁性細線２０に電流を流す。

次に磁気メモリ１００の動作について説明する。

図３Ａ〜図３Ｃは磁気メモリ１００の動作を説明するための図である。

図３Ａは磁気メモリ１００への書き込みを説明するための図である。電極５０と電極５１の間に書き込み電流（Ｉｗｒｉｔｅ）を流すことで、磁性細線２０の非磁性層３１で囲まれた部分の磁化を制御する。書き込まれる磁化は、書き込み電流の向きによって決まる。書き込まれる磁化は、書き込み電流の向きとは逆向きの電子流Ｉｅ（ｗｒｉｔｅ）が流れ出る第１の磁化固定部３２又は第２の磁化固定部３３の磁化のいずれかに揃う。非磁性層３１を介して参照層３４から磁性細線２０へスピントランスファトルクを伝搬させることで書き込みが行われる。磁気メモリ１００に１ビットの書き込みを行った後、電極５０又は電極５１と電極４０との間に電流Ｉｓｈｉｆｔを流すことで１ビットをシフトさせる。Ｉｓｈｉｆｔの絶対値はＩｗｒｉｔｅの絶対値よりも小さい。Ｉｓｈｉｆｔの流れる向きは、電極５０又は電極５１から電極４０へ流れても、その逆でも良く、材料により調整できる。この動作を繰り返すことで、磁気メモリ１００へデータを書き込む。

図３Ｂは磁気メモリ１００の読み出しを説明するための図である。電極５０と電極５１との間に読出し電流（Ｉｒｅａｄ）を流すことで、磁性細線２０の非磁性層３１で囲まれた部分の磁化状態を磁気抵抗から読み出す。非磁性層３１を介して参照層３４と磁性細線２０との間で生じる磁気抵抗効果を利用してデータを読出す。電極５０又は電極５１と電極４０との間に電流Ｉｓｈｉｆｔを流すことで１ビットをシフトさせる。読出し時のＩｓｈｉｆｔの向きは、書き込み時のＩｓｈｉｆｔの向きと逆方向である。Ｉｒｅａｄの絶対値はＩｓｈｉｆｔの絶対値よりも小さい。この動作を繰り返すことで、磁気メモリ１００からデータを読み出す。

読出しの際には、参照層３４の磁化を予め制御しておくことが望ましい。図３Ｃに示すように、電極５０と電極５１との間にＩｒｅａｄの絶対値より大きくＩｓｈｉｆｔの絶対値より小さなセット電流（Ｉｓｅｔ）を流すことで参照層３４の磁化を制御する（セット動作）。このとき、セット電流と逆向きに電流Ｉｅ（ｓｅｔ）が流れる。参照層３４の磁化はＩｓｅｔの向きによって決まる。参照層３４の磁化は電子流Ｉｅ（ｓｅｔ）が流れ出す第１の磁化固定部３２又は第２の磁化固定部３３の磁化に揃う。電流の大小関係は次の通りである。 |Iｒｅａｄ｜ ＜ |Ｉｓｅｔ| ＜ |Ｉｓｈｉｆｔ| < |Ｉｗｒｉｔｅ|。

上記した、書き込み及び読み込み等の動作は、後述する電流源回路（Current Source Circuit）を用いて行われる。

磁気メモリ１００を複数接続する場合は、図４Ａに示すように電極４０を共通にする。また、図４Ｂに示すように、磁化固定部を共有してもよい。磁化固定部を共有することで、図４Ａで示された複数の磁気メモリ１００よりも基板に搭載したときの占有面積を小さくすることができる。複数の磁気メモリ１００を備える装置を磁気メモリ装置と定義する。図４Ｃのように、参照層３４に設けられた電極を共有しても良い。

図５Ａには、磁気メモリ１００をアレイ状に配列するための構造例を示す。図を理解しやすくするめに、非磁性層３１、電極４０、５０、５１は省略している。図５Ａは、２つの磁気メモリ１００の電極４０を共有している。それぞれの磁気メモリ１００の電極５０、５１には１つ又は２つの選択トランジスタが接続されている。それぞれの選択トランジスタのゲート電極はビット線及びワード線に接続されている。

図５Ｂには、磁気メモリ１００が電極４０を共有しない場合の図を例示する。電極４０は選択トランジスタを介してビット線に接続され、電極５０、５１は選択トランジスタを介してビット線及びワード線に接続されている。選択トランジスタのゲート電極がビット線又はワード線に接続されている。このような構造はビット線及びワード線を選択することで磁気メモリ１００の選択を可能にする。

図５Ａ及び図５Ｂの形態も、複数の磁気メモリ１００を備えるので磁気メモリ装置と定義される。

図６Ａ及び図６Ｂは、複数の磁気メモリ１００を用いた回路図を例示したものである。図６Ａ及び図６Ｂの回路構成は、電極５０、５１を隣接メモリ間で共通させた図４Ｃの磁気メモリに対応する。また、この回路構成は、磁化固定部を隣接メモリ間で共有させた図４Ｂの磁気メモリへも適用できる。ビット線及びワード線は各セレクタ（Selector）に接続され、各セレクタは電流原回路に接続されている。２つのセレクタのうちの１つのセレクタは読出部（Reading unit）に接続されている。

図７aから図７ｆを用いて磁気メモリ１００の製造方法について説明する。

陽極酸化によって形成されたポーラスアルミナの孔にＣＶＤ法によってＣｏ及びＮｉの多層膜からなる磁性体を充填することで磁性細線を形成する（図７a）。このとき、ＡＬＤ法を用いることもできる。

アルミナ（ＡｌＯｘ）のポーラス面の片面をエッチングすることで磁性細線の一部を露出させる（図７ｂ）
ＭｇＯからなる非磁性層をアルミナ及び磁性細線の一部を覆うように成膜する。非磁性層上にＣｏＦｅからなる参照層を成膜する（図７ｃ）。

非磁性層の表面が露出するまで削る（図７ｄ）。

露出した表面の一部にレジストを塗布してＥＢ描画によってマスクを形成する。露出した表面及びマスク上に、ＣｏＦｅの極薄膜、Ｒｕ膜、ＣｏＦｅ膜、ＩｒＭｎ膜の順に膜形成をする。これらの磁性膜が磁化固定層に相当する。マスクを除くことで２つの磁化固定部の１つを形成する（図７ｅ）。再び、露出した表面の一部にレジストを塗布してＥＢ描画によってマスクを形成する。露出した表面及びマスク上に、ＣｏＦｅの極薄膜、ＩｒＭｎ膜の順に膜形成をする。これらの磁性膜がもう一つの磁化固定層に相当する。マスクを除くことでもう一つの磁化固定部を形成する。磁化固着部間を絶縁層で埋め込み、磁化固定層上に電極をリフトオフ法で形成する。参照層をミリングすることでそれぞれの磁気メモリを分離させる（図７ｆ）。

磁性細線の加工されていない側の磁性細線に接するように、Ｃｒ／Ａｕからなる電極を形成する（図７ｇ）。

選択トランジスタと配線が設けられた基板を用意し、これを参照層の電極が形成されている面に接合する。このとき、配線と電極の位置は対応付けられている。

このようにして、磁気メモリ１００を作製する。

本実施形態は、磁性細線との位置合わせが容易で信号アクセスが可能な読み出し素子及び書き込み素子を有する磁気メモリ、磁気メモリ装置、及び磁気メモリの読出し並びに書き込み方法を提供することができる。

図８Ａは、磁気メモリ素子２００を示す。第１の磁化固定部３２と第２の磁化固定部３３との間に複数の磁性細線２０が設けられている点が磁気メモリ１００と異なる。図８Ｂは、図８ＡのＡ−Ｂにおける断面図を示す。１つの書き込み／読出し部３０（図示せず）に対して、複数の磁性細線が対応する。それぞれの磁性細線２０の一端において、参照層３４と磁性細線２０との間に非磁性層３１が設けられている。それぞれの磁性細線２０の他端には、電極４０が設けられている。磁性細線２０の幅が参照層３４よりも十分小さいので、この構造は磁性細線２０と書き込み／読出し部３０の位置合わせを容易にする。

磁気メモリ素子２００では、１層の参照層３４に接続された複数の磁性細線２０へ、一括して書き込みを行い、複数の磁性細線に書き込まれたデータ情報の平均値として読み出す。１ビットのシフトは、複数の磁性細線２０を一単位として行う。一単位として複数の磁性細線２０を扱うことは、書き込み及び読出しの動作に対して欠陥やエラーを抑制することを可能にする。

図９Ａは、磁気メモリ素子２００において、磁化固定部を共有した磁気メモリ装置を示す。図９Ｂは、磁気メモリ素子２００において、電極４０を共通にした磁気メモリ装置を示す。

「直交」及び「平行」は、製造工程におけるばらつきを含むので、実質的に直交及び平行であれば良い。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…基板、２０…磁性細線、３０…書き込み／読出し部、３１…非磁性層、３２…第１の磁化固定部、３３…第２の磁化固定部、３４…参照層、３５…第１の反強磁性層、３６…第２の反強磁性層、３７…非磁性層、３８…磁性層、４０、５０、５１…電極、６０…絶縁層、１００…磁気メモリ、２００…磁気メモリ素子

Claims (12)

1. 複数の磁区を有する磁性細線と、
   前記磁性細線の一端を囲み、磁化を有する参照層と、
   前記参照層と前記磁性細線との間に設けられた非磁性層と、
   前記参照層の両端に設けられ、互いに逆向きの磁化を有する第１の磁化固定部及び第２の磁化固定部と、
   前記第１の磁化固定部に設けられた第１の電極と、
   前記第２の磁化固定部に設けられた第２の電極と、
   前記磁性細線の他端に設けられた第３の電極と、
   を備える磁気メモリ。
2. 前記第１の磁化固定部と前記第１の電極との間に設けられた反強磁性層をさらに備える請求項１に記載の磁気メモリ。
3. 前記磁性細線が有する磁化、前記第１の磁化固定部の磁化、及び前記第２の磁化固定部の磁化の少なくとも１つは、前記第１の電極と前記第２の電極とを結ぶ線に交わる方向に磁化容易軸を有する請求項１又は２に記載の磁気メモリ。
4. 前記非磁性層は、銅、銀、金、及び白金から選択される少なくとも１つを含む材料、又はこれらの材料を組み合わせた合金、又は酸化物、又は窒化物、又はグラファイトを含む請求項１乃至３の何れか１項に記載の磁気メモリ。
5. 前記第１の電極と前記第２の電極との間に電流を印加する手段と、
   前記第１の電極又は前記第２の電極と前記第３の電極との間に電流を印加する手段と、
   前記第１の電極及び前記第２の電極との間の抵抗値を読み出す手段と、
   をさらに備える請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の磁気メモリ。
6. 複数の磁区を有する第１の磁性細線と、
   前記第１の磁性細線の一端を囲み、磁化を有する第１の参照層と、
   前記第１の参照層と前記第１の磁性細線との間に設けられた第１の非磁性層と、
   前記第１の参照層の両端に設けられ、互いに逆向きの磁化を有する第１の磁化固定部及び第２の磁化固定部と、
   前記第１の磁化固定部に設けられた第１の電極と、
   前記第２の磁化固定部に設けられた第２の電極と、
   前記第１の磁性細線の他端に設けられた第３の電極と、
   を備える第１の磁気メモリと、
   複数の磁区を有する第２の磁性細線と、
   前記第２の磁性細線の一端を囲み、磁化を有する第２の参照層と、
   前記第２の参照層と前記第２の磁性細線との間に設けられた第２の非磁性層と、
   前記第２の参照層の両端に設けられ、互いに逆向きの磁化を有する第３の磁化固定部及び第４の磁化固定部と、
   前記第３の磁化固定部に設けられた第４の電極と、
   前記第４の磁化固定部に設けられた第５の電極と、
   前記第２の磁性細線の他端に設けられた第６の電極と、
   を備える第２の磁気メモリと、
   を備える磁気メモリ装置。
7. 前記第３の電極と前記第６の電極は共有されている請求項６に記載の磁気メモリ装置。
8. 前記第１の電極と前記第４の電極は共有されている請求項６に記載の磁気メモリ装置。
9. 前記第１の参照層と前記第２の参照層は共有されている請求項６に記載の磁気メモリ装置。
10. 複数の磁区を有する磁性細線と、
    前記磁性細線の一端を囲み、磁化を有する参照層と、
    前記参照層と前記磁性細線との間に設けられた非磁性層と、
    前記参照層の両端に設けられ、互いに逆向きの磁化を有する第１の磁化固定部及び第２の磁化固定部と、
    前記第１の磁化固定部に設けられた第１の電極と、
    前記第２の磁化固定部に設けられた第２の電極と、
    前記磁性細線の他端に設けられた第３の電極と、
    を備える磁気メモリの動作方法であって、
    前記第１の電極と前記第２の電極との間に第１の電流を流し、前記参照層の磁化及び前記磁性細線の前記非磁性層で囲まれた領域の磁化を制御することで書き込みを行うステップと、
    前記第１の電極と前記第２の電極との間に前記第１の電流より小さな第２の電流を流すことで読出しを行うステップと、
    を備える磁気メモリの動作方法。
11. 前記第１の電極又は前記第２の電極と前記第３の電極との間に、前記第１の電流より小さく、かつ前記第２の電流よりも大きな第３の電流を流すことで前記複数の磁区を移動させるステップをさらに備える請求項１０に記載の磁気メモリの動作方法。
12. 前記第１の電極と前記第２の電極との間に、前記第２の電流より大きく、かつ前記第３の電流より小さな第４の電流を流すことで前記参照層の磁化の向きを固定するステップをさらに備える請求項１１に記載の磁気メモリの動作方法。

Images