JP3854836B2 - 垂直磁化膜を用いた磁気メモリの設計方法 - Google Patents

垂直磁化膜を用いた磁気メモリの設計方法 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スピントンネル効果などの磁気抵抗効果を利用した磁性薄膜素子及びその応用に関し、特に、不揮発メモリの応用に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
磁性薄膜メモリは、半導体メモリと同じく可動部のない固体メモリであるが、電源が断たれても情報を失わない、繰り返し書換回数が無限回、放射線が入射しても記録内容が消失する危険性がない等、半導体メモリと比較して有利な点がある。特に近年、スピントンネル(TMR)効果を利用した薄膜磁気メモリは、従来から提案されている異方性磁気抵抗効果を用いた磁性薄膜メモリと比較して大きな出力が得られるため注目されている。これらの磁気メモリは、ランダムアクセス性があるためマグネティックランダムアクセスメモリ(MRAM)と呼ばれている。
【0003】
しかし、上記構成の磁性薄膜メモリは、メモリセルの面積を小さくするに伴って、磁性層内部で生じる反磁界(自己減磁界)が無視できなくなり、記録保持する磁性層の磁化方向が一方向に定まらず不安定となってしまう。従って上記構成の磁性薄膜メモリは、ビットセルを微細化すると同時に情報の保存を行うことができず、高集積化が不可能であると行った欠点を有していた。
【0004】
本発明者は、この面内磁化膜の集積化に関する問題点に鑑み、垂直磁化膜を用いた磁気抵抗素子を、特開平11−213650号公報にて公開した。この磁気抵抗素子は、微細化しても、安定に磁化を保存できる点で優位な特徴を有している。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
また、面内磁化膜は、微細化すると反転磁界が増大することが知られている。例えばアメリカで発行されているジャーナル・オブ・アプライドフィズィックス(J. Appl. Phys.)の81号,ページ3992,1997年発行によると、面内磁化膜では、幅の逆数に比例して反転磁界が増大し、0.25μmでは、約260Oeと大きな値になることが報告されている。磁性膜がそれ以下に微細化するとさらに反転磁界は増大すると考えられる。
【0006】
MRAMでは、情報の記録は、書込み線に電流を流してそれから発生する磁界で磁性膜を磁化反転させて行う。このため反転磁界が増大すると、書込み電流が増大して消費電力が増大するばかりか、書込み線の限界電流密度以上の電流が必要になると書換えそのものができなくなるといった問題が発生する。
【0007】
この微細化に伴う反転磁界の増大は、垂直磁化膜においても起こりうる可能性がある。これは、後述するように、膜厚を一定にして、微細化すると形状異方性が増大することにより、より垂直方向に磁化しやすくなり、反転に伴うエネルギーが増大することによる。
【0008】
本発明は、これらの点に鑑み、垂直磁化膜を用いたMRAMにおいて、微細化する際に問題となる反転磁界の増大をなくし熱的に安定となる、磁気抵抗効果を有する磁性薄膜素子を備えた磁気メモリの設計方法を提供することにある。
【0009】
【発明を解決するための手段】
本発明者は、上記課題に鑑み、垂直磁化膜において反転磁界の増大に起因するファクターを見出し、磁性膜の物性値との関連から、微細化しても反転磁界が増大しない膜構造を見出した。また、微細化しても熱によって磁化反転しない膜物性値の条件を見出した。
【0011】
すなわち本発明の磁気メモリの設計方法は、垂直磁化膜からなる第1磁性層と、絶縁層と垂直磁化膜からなる第2磁性層が積層されてなり、第2磁性層の反転磁界が、第1磁性層の反転磁界より小さく、第1磁性層の磁化方向と第2磁性層の磁化方向の相対角度によって、第1磁性層と第2磁性層間に電流を流した時の抵抗値が異なる磁気抵抗素子を有する磁気メモリの設計方法であって、前記第1磁性層が希土類元素と鉄族元素との合金からなるフェリ磁性膜であって、磁気抵抗素子を微細化する際に、以下の式(1)に基づいて、第1の磁性層が希土類元素副格子磁化優勢の組成の場合には希土類元素の添加割合を増やし、鉄族元素副格子磁化優勢の組成の場合には鉄族元素の添加割合を増やすことで、第1の磁性層の飽和磁化を大きくすることを特徴とする。
【0012】
【数5】
Figure 0003854836
【0013】
ここで、Hc,Ku,Msは、各々、第1磁性層の反転磁化、垂直磁気異方性定数、飽和磁化であり、fは、第1磁性層の膜厚をT、幅と長さをWとすると、式(2)で表されるファクターである。
【0014】
【数6】
Figure 0003854836
【0015】
本発明の製造方法によって製造される磁性メモリは、以下の[1]〜[16]のいずれかによって規定されるものである。
1]垂直磁化膜からなる第1磁性層と非磁性層と垂直磁化膜からなる第2磁性層が積層されてなり、第2磁性層の反転磁界が、第1磁性層の反転磁界より小さく、第1磁性層の磁化方向と第2磁性層の磁化方向の相対角度によって、第1磁性層と第2磁性層間に電流を流した時の抵抗値が異なる磁気抵抗素子と、磁気抵抗素子の第1磁性層の磁化方向を反転させるために設けられた磁界発生機構と、を有した磁気メモリであって、上記式(1)で表される第1磁性層の反転磁界Hcが、磁界発生機構から発生する磁界よりも小さくなるように設定されることを特徴とする磁気メモリ。
[2]前記記載の磁気メモリであって、磁界発生機構が、磁気抵抗素子の近傍に配置された書込み配線とこの書込み配線に電流を流すための電流源から構成されることを特徴とする磁気メモリ。
【0016】
[3]書込み配線が、AlもしくはCuもしくはAlCuを主成分とすることを特徴とする前記記載の磁気メモリ。
【0017】
[4]磁気抵抗素子の上面にビット線が設けられ、ビット線と、ビット線に電流を流すための電流源と、磁気抵抗素子の近傍に配置され、ビット線と直交する方向に配置された書込み線と、書込み配線に電流を流すための電流源とから、磁界発生機構が構成され、ビット線と書込み線とによって、マトリックス状に構成された複数の磁気抵抗素子のうち特定の磁気抵抗素子のみを書き換えることを特徴とする磁気メモリ。
【0018】
[5]前記記載の磁気メモリであって、非磁性層が絶縁層であり、スピントンネル効果によって磁気抵抗効果が発生することを特徴とする磁気メモリ。
【0019】
[6]前記記載の磁気メモリであって、第1の磁性層の反転磁界Hcが500Oe以下であることを特徴とする磁気メモリ。
【0020】
[7]前記記載の磁気メモリであって、少なくとも第1磁性層が希土類元素と鉄族元素との合金からなるフェリ磁性体から構成されることを特徴とする磁気メモリ。
【0021】
[8]前記記載の磁気メモリであって、第1磁性層と第2磁性層とが希土類元素と鉄族元素との合金からなるフェリ磁性膜から構成されることを特徴とする磁気メモリ。
【0022】
[9]前記記載の磁気メモリであって、第1磁性層と非磁性層との間に第3磁性層、第2磁性層と非磁性層との間に第4磁性層が設けられ、第1磁性層と第3磁性層、及び、第2磁性層と第4磁性層とは磁気的に結合しており、第3磁性層、第4磁性層が第1磁性層、第2磁性層よりもスピン分極率が大きい材料であることを特徴とする磁気メモリ。
【0023】
[10]第1磁性層、第2磁性層が、Gd,Tb,Dyから少なくとも1種の希土類元素とFe,Coの少なくとも1種の元素との合金からなることを特徴とする前記の磁気メモリ。
【0024】
[11]第3磁性層と第4磁性層が、Fe,Coの少なくとも1種の元素との合金からなることを特徴とする前記記載の磁気メモリ。
【0025】
[12]前記記載の磁気メモリであって、第1磁性層の飽和磁化が、微細化するに伴ってが大きく設定されることを特徴とする磁気メモリ。
【0026】
[13]垂直磁化膜からなる第1磁性層と絶縁層と垂直磁化膜からなる第2磁性層が積層されてなり、第2磁性層の反転磁界が、第1磁性層の反転磁界Hcより小さく、第1磁性層の磁化方向と第2磁性層の磁化方向の相対角度によって、第1磁性層と第2磁性層間に電流を流した時の抵抗値が異なる磁気抵抗素子を有する磁気メモリであって、Ms,Kuを第1磁性層の飽和磁化、垂直異方性定数とし、fが式(4)で表されるとして、式(3)で表される
【0027】
【数7】
Figure 0003854836
【0028】
Qの値が100以上であることを特徴とする磁気メモリ。
【0029】
【数8】
Figure 0003854836
【0030】
ここで、kはボルツマン定数、Taは温度、Tは膜厚、Wは幅である。
【0031】
[14]前記記載の磁気メモリであって、第1の磁性層の反転磁界Hcが200Oe以下であることを特徴とする磁気メモリ。
【0032】
[15]前記記載の磁気メモリであって、第1の磁性層の反転磁界Hcが100Oe以下であることを特徴とする磁気メモリ。
【0033】
[16]前記記載の磁気メモリであって、第1の磁性層の反転磁界Hcが10Oe以上であることを特徴とする磁気メモリ。
【0039】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の好ましい形態を図面を参照してより詳細に説明する。
【0040】
実施の形態1:
図7は、この実施の形態の磁気メモリで用いる磁気抵抗素子を示している。本実施の形態の磁気メモリは、垂直磁化膜からなる第1磁性層11と非磁性層10と垂直磁化膜からなる第2磁性層12が積層されてなり、第2磁性層12の反転磁界が、第1磁性層11の反転磁界より小さく、第1磁性層11の磁化方向と第2磁性層12の磁化方向の相対角度によって、第1磁性層11と第2磁性層12間に電流を流した時の抵抗値が異なる磁気抵抗素子と、磁気抵抗素子の第1磁性層11の磁化方向を反転させるために設けられた磁界発生機構(不図示)と、からなる。
【0041】
この磁気メモリに記録を行う場合、磁界発生機構を用いて磁気抵抗素子に磁界を与えて、第1磁性層11の磁化方向を膜面垂直の上もしくは下方向に磁化する。第2磁性層12は、あらかじめ、膜面垂直方向の上もしくは下方向に磁化させておき、記録と読み出し時と保存時に磁化方向が変化しないようにする。よって第1磁性層11の磁化方向で磁気抵抗素子の抵抗値が決まる。読み出しは、磁気抵抗素子の抵抗値の大小を検出して行う。
【0042】
磁気メモリを高集積化する場合には、磁性膜を微細化することが必要である。磁性膜を微細化すると、磁化方向を反転させるために必要な磁界、反転磁界、が増大するといった問題がある。以下にこれを垂直磁化膜について詳細に説明する。
【0043】
一般に、磁性体の内部には、磁化方向と逆向きに反磁界が発生することが知られている。例えば、膜面垂直方向に磁化した膜、つまり垂直磁化膜では、この反磁界は、無限の大きさの膜においては、4πMsの大きさであることが知られている。ここでMsは飽和磁化であり、πは円周率である。有限の大きさの膜でも、膜厚に対して十分大きなサイズを持つべた膜では、反磁界は、この4πMsで良く近似できる。
【0044】
しかし、垂直磁化膜を微細化すると、この近似からのずれは、無視できなくなる。図1は、反磁界の大きさを、4πMsを1とした比率(=ファクターf)で示したもので、本発明者が見出したものである。例えばfが0.5とは反磁界が2πMsであることを示す。垂直磁化膜のサイズは、幅W、長さWの長さ/幅=1の形状で、膜厚は10nmから60nmである(図中のパラメーター10〜60nmt)。膜厚によってfの減少の度合いが異なり、膜厚が大きくなると減少の度合いは大きくなる。しかし、いずれも1μm以下のサイズになると、反磁界は4πMsでは近似できなくなる。例えば、0.2μm×0.2μmのサイズで膜厚50nmの垂直磁化膜では、反磁界は0.65×4πMsとなって反磁界が十分サイズの大きいべた膜よりも小さくなる。このファクターfは、垂直磁化膜の膜厚と幅の比で規格化すると、図2のように1本の曲線でほぼ近似できる。この近似式は、以下の式(5)で表される。
【0045】
【数9】
Figure 0003854836
【0046】
で表される。ここで、Tは膜厚、Wは幅である。
【0047】
微細化して反磁界が減少するということは、つまり、垂直方向に磁化しやすくなるということになる。これは形状異方性によって、垂直配向しやすくなったと解釈できる。垂直磁化膜が磁化反転するときには、必ず、膜面内に配向する過程を通るので、微細化すると反転磁界が増大することになる。
【0048】
磁化反転が膜面内で均一に起きる一斉回転モデルでは、垂直磁化膜の反転磁界(=反転磁界)Hcを表すと、
【0049】
【数10】
Figure 0003854836
【0050】
で表される。ここでfは、図1もしくは図2の縦軸で示した値で、Kuは垂直異方性定数、Msは飽和磁化である。式(6)からも、垂直磁化膜を微細化するとHcが増大することがわかる。
【0051】
なお、一般にべた膜の垂直磁化膜の反転磁界は、磁壁の移動に伴っておこる磁壁移動モデルで説明されることが多いが、微細化すると、一斉回転モデルで説明することが必要になる。つまり、磁壁の幅は有限であるので、垂直磁化膜をサブミクロンサイズに微細化すると、磁壁が存在し得ないか、もしくは、膜そのものが磁壁と考えられる程度に、磁壁の大きさが磁性膜の大きさに対して十分大きくなるためである。さらには、この磁壁移動モデルは、上向きと下向きに磁化した膜の間にある磁壁が、移動するモデルであり、磁性膜下部の基板もしくは下地膜の表面粗さがあらいか、もしくは、膜厚にばらつきがあるなどにより、磁壁のエネルギーが場所によって異なる場合である。よって、スピントンネル膜のように、表面粗さが十分小さくなるように制御されている膜などでは、磁壁移動でなく、一斉回転で、磁化反転が記述されると考えられる。
【0052】
従って、第1磁性層に記録を行うためには、式(6)で表された反転磁界Hcを、磁界発生装置から発生される磁界の大きさよりも小さくすることが必要である。
【0053】
磁性膜を反転させるのに、一般的に用いられているのは、書き込み線に電流を流して、そこから発生する磁界によって、行うものである。この場合、書き込み線から発生できる磁界の大きさは、書込み線に用いる材料や配線の断面積にもよるが、MRAMの実用化されるサイズが少なくとも1μm以下で、高集積化のためには0.5μm以下、望ましくは0.2μm以下であることを考えると、500Oe以上の反転磁界の磁性膜を反転させることは、困難と考えられる。また200Oe以上の反転磁界の磁性膜を反転させることは、容易でないと考えられる。また消費電力を考慮すると100Oe以下の反転磁界の磁性膜を用いることが望ましい。
【0054】
従って、式(6)の反転磁界Hcは、少なくとも500Oe以下、望ましくは200Oe以下、さらに望ましくは100Oe以下であることが良い。
【0055】
また、反転磁界は、小さすぎると、情報の保存性に問題が生じる。このため、少なくとも10Oe以上、このましくは20Oe以上がよい。
【0056】
実施の形態2:
微細化にともなって増大する反転磁界を抑制し、低減する方法の一つとして、飽和磁化Msを大きくする方法がある。例えば、希土類元素と鉄族元素との合金からなるフェリ磁性膜は、希土類元素の副格子磁化と鉄族元素の副格子磁化が反平行に磁化しているため、希土類元素と鉄族元素の組成比率によって飽和磁化の大きさを変えることができる。例えば、図4は、Gdx(Fe100-yCoy100-x膜について、組成と飽和磁化の関係を示したものである。この図では、飽和磁化Msは、(Gdの副格子磁化−FeCoの副格子磁化)として示してある。このため、図の縦軸がプラスの場合は希土類元素副格子磁化優勢、マイナスの場合は鉄族元素副格子磁化優勢である。従って飽和磁化を大きくする場合、希土類元素副格子磁化優勢の場合は希土類元素を増やし、鉄族元素副格子磁化優勢の場合は鉄族元素を増やす。
【0057】
後述するように垂直異方性定数Kuを小さくする方法もあるが、Kuは磁性膜の材料や成膜条件に束縛され、これらが容易に変えられない場合、Msを変更することは組成変更で容易にできるので、反転磁界低減の方法としてMsを大きくする方法は、有効である。また、組成を変更すればよいので、式(6)に当てはまるかどうかを検証する必要がなく、メモリの設計条件に当てはまる膜条件を見出すのに有用である。
【0058】
実施の形態3:
反転磁界低減の別の方法として、垂直異方性定数Kuを小さくする方法がある。例えば、希土類元素と鉄族元素との合金からなるフェリ磁性膜では、希土類元素の種類によって、Kuが異なることが知られている。例えば、希土類元素がTb,Dy,Gdの順で、Kuが小さくなる。またこれらのフェリ磁性膜にSm,Ndなどを添加することによって、Kuを下げることも有用である。また、磁性膜を成膜する際の成膜条件によってもKuは異なることが知られている。例えば成膜する際に、基板側に逆バイアスを印加することや成膜時にスパッタガスを変更することによってKuを変更できることが知られている。
【0059】
実施の形態4:
磁性体を微細化すると、外部磁界を印加しなくとも、熱エネルギーによって確率的に磁化反転が起こることが知られている。これはスーパーパラ磁性(超常磁性)の問題といわれる。スーパーパラ磁性とは、磁性体の微細化によって、磁気異方性エネルギーが熱エネルギーと同等になると、あたかも1個1個の磁性粒子がパラ磁性(常磁性)の1個1個の原子磁気モーメントのように熱振動する現象である。
【0060】
磁性体を微細化するとき、スーパーパラ磁性になるまで小さくしなくとも、統計力学的にある確率で磁化反転が起こり、これが記録情報の破壊につながることが、ハードディスクなどの記録媒体で指摘されている。
【0061】
MRAMも同様の問題が発生することが考えられる。本発明の垂直磁化膜の場合には、異方性エネルギーは、Ku−2πMs2×fで表され、磁性膜の体積をvとすると、温度エネルギーkT(kはボルツマン定数、Taは温度)に対して、以下に示すQの値が、
【0062】
【数11】
Figure 0003854836
【0063】
熱によって磁化反転が起こるかどうかを示す目安になる。このQが100以上あれば、実用上問題ないといわれており、本発明においても、式(7)の値が100以上であることが良く、好ましくは200以上あると良い。
【0064】
実施の形態4:
本発明の磁気抵抗素子には、巨大磁気抵抗効果を用いたものやスピントンネル効果を用いたものが適用できるが、好ましくは、スピントンネル効果を用いるのがよい。この場合、図7に示す磁気抵抗素子において、第1磁性層11と第2磁性層12の間の非磁性層10には絶縁膜を用い、電流を第1磁性層11と第2磁性層12の間に流す。絶縁膜の厚さは、0.5nm〜2.5nmの範囲で好ましくは、1nm〜1.6nmの範囲が良い。絶縁膜(トンネル障壁層)の材料としては、酸化アルミニウムAl23などが用いられる。
【0065】
第1磁性層、第2磁性層としては、希土類元素と鉄族元素との合金からなるフェリ磁性膜が望ましい。例えば希土類元素としては、Gd,Tb,Dyから少なくとも1種の希土類元素とFe,Coの少なくとも1種の元素との合金からなる膜で、GdFe,GdFeCo,TbFe,TbFeCo,DyFe,DyFeCoなどが挙げられる。第1磁性層としてはGdFeCo、第2磁性層としてはTbFeCoもしくはDyFeCoを用いるのが良い。
【0066】
またスピントンネル効果をより大きくするために、絶縁膜の両側に、スピン分極率の高い材料を設けるのが良い。具体的には、磁気抵抗素子において、図8に示すように、第1磁性層11と非磁性層10との間に第3磁性層13、第2磁性層12と非磁性層10との間に第4磁性層14を設け、第1磁性層11と第3磁性層13、及び、第2磁性層12と第4磁性層14とは磁気的に結合するようにし、第3磁性層13、第4磁性層14は第1磁性層11、第2磁性層12よりもスピン分極率が大きい材料とする。第3磁性層13と第4磁性層14は、Fe,Coの少なくとも1種の元素との合金からなることがよい。前記の磁気的結合としては、交換結合を用いるのがよい。このために、第3磁性層13と第4磁性層14の膜厚は、0.5〜2.5nm程度にするのが良い。
【0067】
実施の形態5:
高集積磁気メモリとして実用化するためには、本発明の磁気抵抗素子をマトリックス状に配置して各素子を選択することが必要となる。このためには、磁気抵抗素子の上面にビット線を設け、このビット線と、ビット線に電流を流すための電流源と、磁気抵抗素子の近傍に配置され、ビット線と直交する方向に配置された書込み線と、書込み線に電流を流すための電流源とから、磁界発生機構が構成されるようにする。ビット線と書込み線とによって、マトリックス状に構成された複数の磁気抵抗素子のうち特定の磁気抵抗素子のみを書き換える。書込み線からは膜面垂直方向の磁界を印加し、ビット線からは膜面平行の磁界を印加すた場合に、それらの交点付近の特定の一つの素子には、磁化反転に十分な磁界がかかるようにする。これにより選択記録が可能となる。また選択読み出しのために、磁気抵抗素子の下部に、電界効果トランジスタなどの選択トランジスタを設けるとよい。また、各素子にダイオードを接続して単純マトリックス構成としてもよい。
【0068】
また上述では、第1磁性層に情報を記録する場合について記述したが、第2磁性層に情報を記録し、読み出し時に第1磁性層のみの磁化を反転させて、その際に生じる抵抗変化を検出して情報を再生する差動検出型の構成としてもよい。
【0069】
【実施例】
以下、実施例によって本発明をさらに詳しく説明する。
【0070】
(実施例1)
図5および表1は、磁性膜の微細化にしたがって飽和磁化Msを大きく設定した場合の反転磁界Hc及びQを示している。磁性膜の膜厚は50nmである。また、Qはv×(Ku−2πMs2)/(kT)である。ここで、kはボルツマン定数1.38×10-16erg/K、Tは298K(室温)、vは磁性膜の体積(=W×W×膜厚)である。このQは、熱擾乱によって磁性体の磁化が反転することの可能性を示す値で、100以上の値であれば、実用上問題ないと言われている。
【0071】
結果より、幅Wが小さくなっても反転磁界は130Oe付近で増大しないことがわかる。また熱擾乱による磁化反転に関しても問題ないことが分かる。
【0072】
このように、垂直磁化膜に希土類元素と鉄族元素からなる合金膜等のフェリ磁性体を用いて、サイズの縮小化に伴い飽和磁化が大きくすることで、反転磁界の増大を防ぐことができる。
【0073】
【表1】
Figure 0003854836
【0074】
(実施例2)
飽和磁化Msを126emu/cc一定として、垂直異方性定数Kuを変えた場合の反転磁界とQとを表2に示した。
【0075】
【表2】
Figure 0003854836
【0076】
(比較例1)
面内磁化膜の反転磁界は、膜厚T、幅Wの長方形の膜では、反転磁界Hcは、
【0077】
【数12】
Figure 0003854836
【0078】
であらわされることが知られている。たとえば、膜厚5nmのNiFe(Ms=800emu/cc)の膜では、図6に示したように、縮小化にともなって反転磁界が増大する。そして、MRAMに一般に用いられている面内磁化膜は、NiFe,Co,CoFeなどで、飽和磁化Msは、材料によって決まっており変えることができない。このため、本発明のように、サイズ縮小化に伴う反転磁界の増大を抑制することができない。
【0079】
(比較例2)
図3は、50nmの膜厚、Ku=8.8×104erg/cc、Ms=126emu/ccで、平面が正方形の垂直磁化膜について、その幅W(=長さ)と反転磁界の関係を示したものである。微細化とともに反転磁界が増大し、0.1μm×0.1μmでは、672Oeに達している。反転磁界が増大することは、書き込み線の消費電流が増大するとともに、限界電流密度に達すると、書き込みができなくなるといった問題が発生する。
【0080】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の磁性薄膜素子は、そのサイズがサブミクロン程度に小さくなっても反転磁界の増大が抑えられ、熱的に安定に磁化情報が保存できる、より高い集積度のメモリが実現できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】磁性膜のサイズと反磁界の大きさを4πMs2を1として規格化したファクターfとの関係を示す図である。
【図2】ファクターfと磁性膜の膜厚T、幅Wとの比との関係を示した図である。
【図3】比較例における垂直磁化膜の反転磁界と磁性膜の幅の関係を示した図である。
【図4】Gdx(Fe100-yCoy100-x膜における組成と飽和磁化Msとの関係を示した図である。
【図5】本発明における反転磁界と磁性膜の幅の関係を示した図である。
【図6】比較例における面内磁化膜の反転磁界と磁性膜の幅の関係を示した図である。
【図7】本発明に基づく磁気メモリで使用される磁気抵抗素子の一例を示す模式断面図である。
【図8】本発明に基づく磁気メモリで使用される磁気抵抗素子の別の例を示す模式断面図である。
【符号の説明】
10 非磁性層
11 第1磁性層
12 第2磁性層
13 第3磁性層
14 第4磁性層

Claims (1)

  1. 垂直磁化膜からなる第1磁性層と絶縁層と垂直磁化膜からなる第2磁性層が積層されてなり、該第2磁性層の反転磁界が、該第1磁性層の反転磁界より小さく、該第1磁性層の磁化方向と該第2磁性層の磁化方向の相対角度によって、該第1磁性層と該第2磁性層間に電流を流した時の抵抗値が異なる磁気抵抗素子を有する磁気メモリの設計方法であって、
    前記第1磁性層が希土類元素と鉄族元素との合金からなるフェリ磁性膜であって、前記磁気抵抗素子を微細化する際に、以下の式(1)に基づいて、前記第1の磁性層が希土類元素副格子磁化優勢の組成の場合には希土類元素の添加割合を増やし、鉄族元素副格子磁化優勢の組成の場合には鉄族元素の添加割合を増やすことで、前記第1の磁性層の飽和磁化を大きくすることを特徴とする磁気メモリの設計方法。
    Figure 0003854836
    ここで、Hc,Ku,Msは、各々、該第1磁性層の反転磁化、垂直磁気異方性定数、飽和磁化であり、fは、該第1磁性層の膜厚をT、幅と長さをWとすると、式(2)で表されるファクターである。
    Figure 0003854836
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Families Citing this family (30)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7035138B2 (en) * 2000-09-27 2006-04-25 Canon Kabushiki Kaisha Magnetic random access memory having perpendicular magnetic films switched by magnetic fields from a plurality of directions
JP3812498B2 (ja) * 2001-12-28 2006-08-23 日本電気株式会社 トンネル磁気抵抗素子を利用した半導体記憶装置
KR100468861B1 (ko) * 2003-01-07 2005-01-29 삼성전자주식회사 고선택성을 가지는 자기저항 메모리
US7242045B2 (en) * 2004-02-19 2007-07-10 Grandis, Inc. Spin transfer magnetic element having low saturation magnetization free layers
US20110140217A1 (en) * 2004-02-26 2011-06-16 Grandis, Inc. Spin transfer magnetic element with free layers having high perpendicular anisotropy and in-plane equilibrium magnetization
US6992359B2 (en) * 2004-02-26 2006-01-31 Grandis, Inc. Spin transfer magnetic element with free layers having high perpendicular anisotropy and in-plane equilibrium magnetization
US7506236B2 (en) * 2004-05-28 2009-03-17 International Business Machines Corporation Techniques for operating semiconductor devices
JP4564933B2 (ja) * 2006-03-15 2010-10-20 ヒタチグローバルストレージテクノロジーズネザーランドビーブイ 垂直磁気記録媒体とその磁気特性評価法、及び磁気記録再生装置
FR2904724B1 (fr) * 2006-08-03 2011-03-04 Commissariat Energie Atomique Dispositif magnetique en couches minces a forte polarisation en spin perpendiculaire au plan des couches, jonction tunnel magnetique et vanne de spin mettant en oeuvre un tel dispositif
CN101689600B (zh) 2007-06-25 2012-12-26 日本电气株式会社 磁阻效应元件及磁性随机存取存储器
US8120127B2 (en) 2007-08-03 2012-02-21 Nec Corporation Magnetic random access memory and method of manufacturing the same
JP5338666B2 (ja) * 2007-08-03 2013-11-13 日本電気株式会社 磁壁ランダムアクセスメモリ
US8194436B2 (en) 2007-09-19 2012-06-05 Nec Corporation Magnetic random access memory, write method therefor, and magnetoresistance effect element
US20100074003A1 (en) * 2008-09-22 2010-03-25 Klaus Schroder Single conductor magnetoresistance random access memory cell
JP5440509B2 (ja) * 2008-12-22 2014-03-12 富士電機株式会社 不揮発記憶装置
US9171601B2 (en) 2009-07-08 2015-10-27 Alexander Mikhailovich Shukh Scalable magnetic memory cell with reduced write current
US8406041B2 (en) 2009-07-08 2013-03-26 Alexander Mikhailovich Shukh Scalable magnetic memory cell with reduced write current
US8411494B2 (en) 2009-07-21 2013-04-02 Alexander Mikhailovich Shukh Three-dimensional magnetic random access memory with high speed writing
US10446209B2 (en) 2009-08-10 2019-10-15 Samsung Semiconductor Inc. Method and system for providing magnetic tunneling junction elements having improved performance through capping layer induced perpendicular anisotropy and memories using such magnetic elements
US8913350B2 (en) * 2009-08-10 2014-12-16 Grandis, Inc. Method and system for providing magnetic tunneling junction elements having improved performance through capping layer induced perpendicular anisotropy and memories using such magnetic elements
US20110031569A1 (en) * 2009-08-10 2011-02-10 Grandis, Inc. Method and system for providing magnetic tunneling junction elements having improved performance through capping layer induced perpendicular anisotropy and memories using such magnetic elements
JP5177585B2 (ja) * 2010-09-17 2013-04-03 株式会社東芝 磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ
US8399941B2 (en) 2010-11-05 2013-03-19 Grandis, Inc. Magnetic junction elements having an easy cone anisotropy and a magnetic memory using such magnetic junction elements
US9478730B2 (en) 2010-12-31 2016-10-25 Samsung Electronics Co., Ltd. Method and system for providing magnetic layers having insertion layers for use in spin transfer torque memories
US8790798B2 (en) 2011-04-18 2014-07-29 Alexander Mikhailovich Shukh Magnetoresistive element and method of manufacturing the same
US8758909B2 (en) 2011-04-20 2014-06-24 Alexander Mikhailovich Shukh Scalable magnetoresistive element
US8766383B2 (en) 2011-07-07 2014-07-01 Samsung Electronics Co., Ltd. Method and system for providing a magnetic junction using half metallic ferromagnets
JP5665707B2 (ja) * 2011-09-21 2015-02-04 株式会社東芝 磁気抵抗効果素子、磁気メモリ及び磁気抵抗効果素子の製造方法
US9368176B2 (en) 2012-04-20 2016-06-14 Alexander Mikhailovich Shukh Scalable magnetoresistive element
JP2017139399A (ja) * 2016-02-05 2017-08-10 Tdk株式会社 磁気メモリ

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5841611A (en) * 1994-05-02 1998-11-24 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Magnetoresistance effect device and magnetoresistance effect type head, memory device, and amplifying device using the same
JP3679593B2 (ja) 1998-01-28 2005-08-03 キヤノン株式会社 磁性薄膜素子および磁性薄膜メモリ素子およびその記録再生方法
US6055179A (en) 1998-05-19 2000-04-25 Canon Kk Memory device utilizing giant magnetoresistance effect
US6373609B1 (en) 1998-06-16 2002-04-16 Ciena Corporation Wavelength tailored dispersion compensation apparatus
JP3603771B2 (ja) * 2000-09-26 2004-12-22 松下電器産業株式会社 磁気抵抗素子およびそれを用いた磁気センサ、メモリー装置

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