(57)【要約】  【課題】  不揮発性磁気メモリにおいて、スピントルク磁化反転機能を持つ超低消費電力な高集積メモリセルおよびそれを用いたランダムアクセスメモリを提供する。  【解決手段】  C-MOSFET上にスピントルク磁化反転層とトンネル型磁気抵抗効果膜を備えることを特徴とする。【選択図】  図1
2005116923.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自由層と絶縁障壁層と固定層とを備えるトンネル型磁気抵抗効果膜と、前記自由層の磁化情報の書き込みと読み出しを行うためのワード線とビット線とを備えた磁気メモリセルにおいて、
前記自由層の磁化方向をスピントルクにより回転させるためのスピントルク磁化反転層が前記トンネル型磁気抵抗効果膜に隣接して形成され、
前記トンネル型磁気抵抗効果膜は前記スピントルク磁化反転層を介して、ドレイン電極、ソース電極、ゲート電極、ｎ型半導体、およびｐ型半導体から構成されているMOSFETのドレイン電極と電気的に接続していることを特徴とする不揮発性磁気メモリセル。
【請求項２】
上記トンネル型磁気抵抗効果膜は、該自由層の磁化方向を交換結合により固定するための反強磁性層を備えていることを特徴とする請求項１に記載の不揮発性磁気メモリセル。
【請求項３】
上記ビット線が上記トンネル型磁気抵抗効果膜に隣接し、上記ワード線が前記MOSFETのソース電極に隣接していることを特徴とする請求項１に記載の不揮発性磁気メモリセル。
【請求項４】
上記ビット線が上記トンネル型磁気抵抗効果膜に隣接し、上記ワード線が前記MOSFETのソース電極に隣接していることを特徴とする請求項２に記載の不揮発性磁気メモリセル。
【請求項５】
上記MOSFETは膜面垂直方向にｎ−ｐ−ｎ接合により構成され、上記ゲート電極がｐ型半導体の周りに配置され、上記ワード線が上記ｎ型半導体のうちスピントルク磁化反転層とは遠隔位置に配置されたｎ型半導体に隣接し、上記ビット線が上記トンネル型磁気抵抗効果膜に隣接していることを特徴とする請求項１に記載の不揮発性磁気メモリセル。
【請求項６】
上記MOSFETは膜面垂直方向にｎ−ｐ−ｎ接合により構成され、上記ゲート電極がｐ型半導体の周りに配置され、上記ワード線が上記ｎ型半導体のうちスピントルク磁化反転層とは遠隔位置に配置されたｎ型半導体に隣接し、上記ビット線が上記トンネル型磁気抵抗効果膜に隣接していることを特徴とする請求項２に記載の不揮発性磁気メモリセル。
【請求項７】
上記スピントルク磁化反転層は強磁性層と非磁性層の積層膜から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の不揮発性磁気メモリセル。
【請求項８】
上記スピントルク磁化反転層は強磁性層と非磁性層の積層膜から構成されていることを特徴とする請求項２に記載の不揮発性磁気メモリセル。
【請求項９】
上記強磁性層と自由層と固定層のうち少なくとも一層が二層以上の積層膜で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の不揮発性磁気メモリセル。
【請求項１０】
上記強磁性層と自由層と固定層のうち少なくとも一層が二層以上の積層膜で構成されていることを特徴とする請求項２に記載の不揮発性磁気メモリセル。
【請求項１１】
上記強磁性層と自由層と固定層は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉのいずれかひとつの元素を含むことを特徴とする請求項１に記載の不揮発性磁気メモリセル。
【請求項１２】
上記強磁性層と自由層と固定層は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉのいずれかひとつの元素を含むことを特徴とする請求項２に記載の不揮発性磁気メモリセル。
【請求項１３】
上記非磁性層は、Ｃｕ、Ａｕ、Ｃｒ、Ａｇ、Ｒｕ、Ａｌ、Ｐｔの少なくともひとつを含むことを特徴とする請求項１に記載の不揮発性磁気メモリセル。
【請求項１４】
上記非磁性層は、Ｃｕ、Ａｕ、Ｃｒ、Ａｇ、Ｒｕ、Ａｌ、Ｐｔの少なくともひとつを含むことを特徴とする請求項２に記載の不揮発性磁気メモリセル。
【請求項１５】
上記ＭＯＳＦＥＴはＳｉを含むことを特徴とする請求項１に記載の不揮発性磁気メモリセル。
【請求項１６】
上記ＭＯＳＦＥＴはＳｉを含むことを特徴とする請求項２に記載の不揮発性磁気メモリセル。
【請求項１７】
ビット線と、ワード線と、ビット線とワード線とに電気的に接続して形成された積層体を複数有し、
上記複数の積層体は、MOSFETとスピントルク磁化反転層とトンネル型磁気抵抗効果型膜とが積層された構造を有し、上記MOSFETはドレイン電極、ソース電極、ゲート電極、ｎ型半導体、およびｐ型半導体を備え、上記スピントルク磁化反転層は第一の強磁性層と非磁性層を備え、上記トンネル型磁気抵抗効果型膜は第二の強磁性層と絶縁障壁層と第三の強磁性層とを備え、上記ビット線は上記トンネル型磁気抵抗効果膜に隣接し、上記ワード線は上記MOSFETのソース電極に隣接していることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１８】
上記トンネル型磁気抵抗効果型膜は該第二の強磁性層の磁化方向を交換結合により固定するための反強磁性層を備えていることを特徴とする請求項１７に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１９】
上記MOSFETは膜面垂直方向にｎ−ｐ−ｎ接合により構成され、上記ゲート電極がｐ型半導体の周りに配置されていることを特徴とする請求項１７に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項２０】
上記MOSFETは膜面垂直方向にｎ−ｐ−ｎ接合により構成され、上記ゲート電極がｐ型半導体の周りに配置されていることを特徴とする請求項１８に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はスイッチング機能とスピントルク磁化反転機能をもつ高出力不揮発性磁気メモリセルおよびこれを用いた磁気ランダムアクセスメモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
図６に示したように、従来の不揮発性磁気メモリはMOSFET上にトンネル型磁気抵抗効果型素子を形成したセルにより構成される。スイッチングは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型磁気抵抗効果型素子(文献：T.Miyazaki and N.Tezuka, J.Magn. Magn. Mater. 139, L231(1995)の自由層に情報を書き込み、出力電圧により情報を読み出す方式である。
【０００３】
【非特許文献１】T.Miyazaki and N.Tezuka, J.Magn. Magn. Mater. 139, L231(1995)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来方式の不揮発性磁気メモリでは、ビット線とワード線に流す電流によって作られる空間静磁場を利用してトンネル型磁気抵抗効果素子の自由層の磁化反転を行い、情報の書き込みを行っていた。従って、磁化反転を起こすのに十分な磁場を誘起するには非常に大きな電力が必要となっており、この電力を低減させることは困難とされていた。この困難を解消し、不揮発性磁気メモリにおける超低消費電力化を達成するためには、電流誘起の空間磁場によらない自由層の磁化反転の実現が重要な課題となっていた。
【０００５】
本発明は、上記の課題を解決するために、C-MOSFETとスピントルク磁化反転層とトンネル型磁気抵抗効果素子からなる不揮発性磁気メモリセルおよびこれを用いた磁気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】
【０００６】
本発明は、上記の目的を達成するために、自由層と絶縁障壁層と固定層とからなるトンネル型磁気抵抗効果膜と、前記自由層の磁化情報の電気的な書き込みと読み出しを行うためのワード線とビット線とを備えた磁気メモリセルにおいて、自由層の磁化方向をスピントルクにより回転させるためのスピントルク磁化反転層がトンネル型磁気抵抗効果膜に隣接して形成し、トンネル型磁気抵抗効果膜はスピントルク磁化反転層を介して、ドレイン電極、ソース電極、ゲート電極、ｎ型半導体、およびｐ型半導体から構成されているMOSFETのドレイン電極と電気的に接続するようにした。
【０００７】
また、トンネル型磁気抵抗効果膜は、自由層の磁化方向を交換結合により固定するための反強磁性層を備えているようにした。
【０００８】
さらに、ビット線が上記トンネル型磁気抵抗効果膜に隣接し、ワード線がMOSFETのソース電極に隣接しているようにした。
【０００９】
さらにまた、MOSFETは膜面垂直方向にｎ−ｐ−ｎ接合により構成し、ゲート電極をｐ型半導体の周りに配置し、ワード線をｎ型半導体のうちスピントルク磁化反転層とは遠隔位置に配置されたｎ型半導体に隣接させ、ビット線がトンネル型磁気抵抗効果膜に隣接するようにした。
【００１０】
また、スピントルク磁化反転層は強磁性層と非磁性層の積層膜から構成するようにした。
【００１１】
さらに、強磁性層と自由層と固定層のうち少なくとも一層が二層以上の積層膜で構成するようにした。
【００１２】
さらにまた、強磁性層と自由層と固定層は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉのいずれかひとつの元素を含むようにし、ＭＯＳＦＥＴはＳｉを含むようにした。
【００１３】
さらに、磁気ランダムアクセスメモリとして、ビット線と、ワード線と、ビット線とワード線とに電気的に接続して形成された積層体を複数有し、この積層体は、MOSFETとスピントルク磁化反転層とトンネル型磁気抵抗効果型膜とが積層された構造を有し、MOSFETはドレイン電極、ソース電極、ゲート電極、ｎ型半導体、およびｐ型半導体を備え、スピントルク磁化反転層は第一の強磁性層と非磁性層を備え、上記トンネル型磁気抵抗効果型膜は第二の強磁性層と絶縁障壁層と第三の強磁性層と反強磁性層を備え、上記ビット線は上記トンネル型磁気抵抗効果膜に隣接し、上記ワード線は上記MOSFETのソース電極に隣接しているようにした。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、本発明によれば、スピントルク磁化反転層を設けた不揮発性磁気メモリセルにより電流磁場によらない磁化反転を実現できるため、消費電力が極めて小さい不揮発性磁気メモリセルの実現が可能となり、この不揮発性磁気メモリセル不揮発性磁気メモリセルを塔載することにより、消費電力が極めて小さい磁気ランダムアクセスメモリができる効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明に係る実施の形態について、図１〜図５、および図７〜図８を用いて詳述する。
［実施の形態１］
図１に本発明のメモリセルのひとつの例の断面構成図を示す。C-MOSFET１１は二つのｎ型半導体１２、１３とひとつのｐ型半導体１４からなる。ｎ型半導体１２にソースとなる電極２１が電気的に接続されている。この電極２１は磁気メモリを構成するワード線と電気的に接続されている。ｎ型半導体１３はドレインとなる電極２２が電気的に接続されている。さらに２３はゲート電極であり、このゲート電極２３のon/offによりソース電極２１とドレイン電極２２の間の電流のon/offを制御する。ここで、上記ｎ型半導体およびｐ型半導体としてはSiを含む半導体を用いた。
【００１６】
このC-MOSFET１１の上にスピントルク磁化反転層３１が配置されており、電極配線４２が電気的に接続されている。スピントルク磁化反転層３１は強磁性層（第一の強磁性層）３１１と非磁性層３１２とから形成されている。ここでは、強磁性層３１１にCoFeを、非磁性層３１２にCuを用い、それぞれの膜厚は３１１、３１２いずれも３nm,とした。ここで、強磁性層はCoFeのほかに、NiFeあるいはCoFe/NiFe,Niの2層以上の積層膜として形成してもよい。また、上記非磁性層は、Cuのほかに、Au、Cr、Ag、Ru、Al、Ptの少なくともいずれかひとつを含むよう形成してもよい。
【００１７】
このスピントルク磁化反転層３１の上にトンネル型磁気抵抗効果素子３２が形成されている。トンネル型磁気抵抗効果素子３２は自由層（第二の強磁性層）３２１と、その上に形成されたトンネルバリア３２２と固定層（第三の強磁性層）３２３とから形成されている。ここでは自由層３２１にCoFe、絶縁障壁層３２２にAlの酸化膜であるAｌ２O3を、固定層３２３にCoFeを用いた。膜厚はそれぞれ３nm、２nm、３nmとした。ここで、自由層３２１および固定層はCoFeのほかに、NiFeあるいはCoFe/NiFeの2層以上の積層膜を用いてもよい。絶縁障壁層３２２としてAlの酸化膜以外に、Hf、Ta、Mg、Tiの酸化膜を用いることも可能である。また、固定層３２３はCoFe以外にCoFe/Ru/CoFeから成る多層膜を用いてもよい。ビット線２１２はトンネル型磁気抵抗効果膜３２の上に形成され電気的に接続されている。
【００１８】
こうして作製したメモリセル１の基本的な電気的特性を図５に示す。これからヒシテリシスを伴う抵抗―電流特性を示すことがわかる。このヒシテリシスは、スピントルク磁化反転層３１から流れるスピン電流により、自由層３２１のCoFeの磁化方向が変化するためである。ここで、高抵抗状態は自由層３２１の磁化方向と固定層３２２の磁化の方向は反平行配置である。逆に低抵抗状態はそれらが平行配置である。ここで、自由層３２１の磁化方向を変化させるには図５中に示したIc1あるいはIc2の電流を流す必要がある。この値は電流密度でおよそ１×１０７A/cm2であった。ここで作製したトンネル型磁気抵抗効果膜３２とスピントルク磁化反転層３１のサイズは５０nm×５０nmである。したがって、磁化反転に必要な電流絶対値は約０．２５mAであった。この値は従来の電流誘起を使った不揮発性メモリに比べ２桁から３桁低い電流値である。
【００１９】
本実施例において、読取電流２０μAでトンネル型磁気抵抗効果膜に印加される電圧は２００ｍVである。トンネル型磁気抵抗効果素子の磁気抵抗比はV=２００ｍVのもとで３０％であるので、出力信号は６００ｍV程度である。
【００２０】
さらに、複数のこの不揮発性磁気メモリセルを複数の積層体として塔載した磁気ランダムアクセスメモリを作製した。この積層体において、スピントルク磁化反転層の強磁性層が第一の磁性層、トンネル型磁気抵抗効果膜の自由層および固定層がそれぞれ第二、第三の強磁性層となっている。作成した磁気ランダムアクセスメモリの構成を図７に示す。各メモリセルは図７中に示されたビット線、ワード線を含み、電気的に接続さた積層体としれて構成されている。何れも、従来の電流駆動型の不揮発性ランダムアクセスメモリに比し、大幅に低い電流、即ち２乃至３桁低い電流で駆動可能であることを確認した。
［実施の形態２］
図２は、図１の構成において、固定層３２３の磁化の方向を一方向に固定するための反強磁性層３２４を設けたメモリセル１の断面構成図を示す。本実施例では、反強磁性層３２４にPtMnを用い、その膜厚を１２nmとした。このほかにIrMnやFeMnを用いてもよい。これにより固定層３２３と自由層３２１の磁化方向の反平行・平行配置が安定して実現できるため、トンネル型磁気抵抗効果膜３２の出力を大きくできる。本実施例においても、図５に示したようなヒシテリシスを持つ抵抗―電流特性を示した。本実施例では、トンネル型磁気抵抗効果膜３２の出力は５０％であり、実施例１の場合よりも高出力なメモリセルが得られた。
【００２１】
さらに、複数のこの不揮発性磁気メモリセルを複数の積層体として塔載した磁気ランダムアクセスメモリを作製した。この積層体において、スピントルク磁化反転層の強磁性層が第一の磁性層、トンネル型磁気抵抗効果膜の自由層および固定層がそれぞれ第二、第三の強磁性層となっている。作成した磁気ランダムアクセスメモリの構成を図７に示す。各メモリセルは図７中に示されたビット線、ワード線を含み、電気的に接続された積層体として構成されている。何れも、従来の電流駆動型の不揮発性ランダムアクセスメモリに比し、２から３桁低い電流で駆動可能であることを確認した。
［実施の形態３］
図３は、本発明のメモリセル１の他の実施例の断面構成図を示す。本実施例では、C-MOSFET１１は基体に対して垂直方向にソース電極を兼ねるｎ型半導体１３１とｐ型半導体１４１とドレイン電極を兼ねるｎ型半導体１２１がこの順に積層されている。さらに、ｐ型半導体１４１の側壁に直接接することなくゲート電極２３が配置されている。スピントルク磁化反転層３１とトンネル型磁気抵抗効果膜３２はｎ型半導体１２１上の実施の形態１におけると同様の材料・膜厚にて同様の順に積層されている。
【００２２】
本実施例では、ｎ型半導体１２１が兼ねているドレイン電極およびｎ型半導体１３１が兼ねているソース電極を垂直方向に積層し、ゲート電極を側壁に配置することによりセル面積を縮小でき、４F2の不揮発性磁気メモリセルの実現が可能となった。なお、本実施例におけるトンネル型磁気抵抗効果膜３２の出力は２０％であった。
【００２３】
本実施例において、スピントルク磁化反転層３１に対し遠隔位置にあるｎ型半導体１３１がワード線に隣接し、トンネル型磁気抵抗効果膜がビット線に隣接している。
【００２４】
さらに、複数のこの不揮発性磁気メモリセルを複数の積層体として塔載した磁気ランダムアクセスメモリを作製した。この積層体において、スピントルク磁化反転層の強磁性層が第一の磁性層、トンネル型磁気抵抗効果膜の自由層および固定層がそれぞれ第二、第三の強磁性層となっている。作成した磁気ランダムアクセスメモリの構成を図７に示す。各メモリセルは図７中に示されたビット線、ワード線を含み、電気的に接続された積層体として構成されている。何れも、従来の電流駆動型の不揮発性ランダムアクセスメモリに比し、２から３桁低い電流で駆動可能であることを確認した。
［実施の形態４］
図４は図３の構成において、固定層３２３の磁化の方向を一方向に固定するための反強磁性層３２４を設けたメモリセル１の断面構成図を示す。本実施例では、反強磁性層３２３にPtMnを用い、膜厚を実施の形態２と同様に１２ｎｍとした。このほかに、IrMnやFeMnを用いてもかまわない。これにより、固定層３２３と自由層３２１の磁化方向の反平行・平行配置が安定して実現できるため、トンネル型磁気抵抗効果膜３２の出力を増大できる。
【００２５】
本実施例において、スピントルク磁化反転層３１に対し遠隔位置にあるｎ型半導体１３１がワード線に隣接し、トンネル型磁気抵抗効果膜がビット線に隣接している。
【００２６】
本実施例においても、図５に示したようなヒシテリシスを持つ抵抗―電流特性を示した。本実施例では、トンネル型磁気抵抗効果膜３２の出力は３０％であり、実施例３の場合よりも高出力なメモリセルが得られた。
【００２７】
さらに、複数のこの不揮発性磁気メモリセルを複数の積層体として塔載した磁気ランダムアクセスメモリを作製した。この積層体において、スピントルク磁化反転層の強磁性層が第一の磁性層、トンネル型磁気抵抗効果膜の自由層および固定層がそれぞれ第二、第三の強磁性層となっている。作成した磁気ランダムアクセスメモリの構成を図７に示す。各メモリセルは図７中に示されたビット線、ワード線を含み、電気的に接続された積層体として構成されている。何れも、従来の電流駆動型の不揮発性ランダムアクセスメモリに比し、２から３桁低い電流で駆動可能であることを確認した。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図1は本発明の不揮発性磁気メモリセルの第一の構成例を示した図である。
【図２】図2は本発明の不揮発性磁気メモリセルの第二の構成例を示した図である。
【図３】図３は本発明の不揮発性磁気メモリセルの第三の構成例を示した図である。
【図４】図４は本発明の不揮発性磁気メモリセルの第四の構成例を示した図である。
【図５】図５は本発明の不揮発性磁気メモリセルの抵抗―電流特性の代表的データを示した図である。
【図６】図６は不揮発性磁気メモリセルの従来の代表構成例を示した図である。
【図７】図７は本発明の不揮発性磁気メモリセルを配置した磁気ランダムアクセスメモリを示した図である。
【符号の説明】
【００２９】
１…メモリセル、１１…C-MOSFET、１２、１３、１２１、１３１…ｎ型半導体、１４、１４１…ｐ型半導体、２１…ソース電極、２１１、２１１１…ワード線、２１２…ビット線、２２…ドレイン電極、２３…ゲート電極、３１…スピントルク磁化反転層、３２…トンネル型磁気抵抗効果膜、３１１…強磁性層（第一の強磁性層）、３１２…非磁性層、３２１…自由層（第二の強磁性層）、３２２絶縁障壁層、３２３…固定層（第三の強磁性層）、３２４…反強磁性層、４１、４２、４３、４４、４５、４６…電極配線。
【図１】
2005116923.tif 000003
【図２】
2005116923.tif 000004
【図３】
2005116923.tif 000005
【図４】
2005116923.tif 000006
【図５】
2005116923.tif 000007
【図６】
2005116923.tif 000008
【図７】
2005116923.tif 000009