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JPWO2006062150A1 - Magnetic random access memory - Google Patents

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JPWO2006062150A1
JPWO2006062150A1 JP2006546749A JP2006546749A JPWO2006062150A1 JP WO2006062150 A1 JPWO2006062150 A1 JP WO2006062150A1 JP 2006546749 A JP2006546749 A JP 2006546749A JP 2006546749 A JP2006546749 A JP 2006546749A JP WO2006062150 A1 JPWO2006062150 A1 JP WO2006062150A1
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貞彦 三浦
鈴木 哲広
哲広 鈴木
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馨 森
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能之 福本
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Abstract

トグル書込み方式の磁気ランダムアクセスメモリは、自由磁性層と、固定磁性層と、自由磁性層と固定磁性層に挟まれた非磁性層とを具備する。自由磁性層は、互いに反強磁性結合した2n層(nは2以上の整数)の磁性膜を有する。The toggle write magnetic random access memory includes a free magnetic layer, a pinned magnetic layer, and a nonmagnetic layer sandwiched between the free magnetic layer and the pinned magnetic layer. The free magnetic layer has 2n layers (n is an integer of 2 or more) magnetic films antiferromagnetically coupled to each other.

Description

本発明は、磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM:Magnetic Random Access Memory)に関し、特に、「トグル書込み方式」の磁気ランダムアクセスメモリに関する。   The present invention relates to a magnetic random access memory (MRAM), and more particularly to a “toggle write system” magnetic random access memory.

磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM)は、高集積と高速動作の観点から有望な不揮発性メモリである。MRAMにおいては、AMR(Anisotropic MagnetoResistance)効果、GMR(Giant MagnetoResistance)効果、及びTMR(Tunnel MagnetoResistance)効果といった磁気抵抗効果を示す磁気抵抗素子が利用される。   Magnetic random access memory (MRAM) is a promising nonvolatile memory from the viewpoint of high integration and high-speed operation. In the MRAM, magnetoresistive elements exhibiting magnetoresistive effects such as an AMR (Anisotropic MagnetoResistance) effect, a GMR (Giant MagnetoResistance) effect, and a TMR (Tunnel MagnetoResistance) effect are used.

図1は、米国特許US5640343号(第1従来例)に開示されたMRAMの構成を示す平面図である。このMRAM100は、互いに直交するように形成された書込みワード線101と書込みビット線102を備えている。書込みワード線101と書込みビット線102の交点にはメモリセル103が配置されており、このメモリセル103が磁気抵抗素子を含んでいる。   FIG. 1 is a plan view showing a configuration of an MRAM disclosed in US Pat. No. 5,640,343 (first conventional example). The MRAM 100 includes a write word line 101 and a write bit line 102 formed so as to be orthogonal to each other. A memory cell 103 is arranged at the intersection of the write word line 101 and the write bit line 102, and the memory cell 103 includes a magnetoresistive element.

図2は、従来の磁気抵抗素子の構造を示す概念図である。この磁気抵抗素子110は、下部電極層111、反強磁性層112、固定磁性層(ピン層)113、バリア層114、自由磁性層(フリー層)115及び上部電極層116を含んでいる。バリア層114は、絶縁膜あるいは金属膜を含む非磁性層であり、固定磁性層113と自由磁性層115に挟まれている。固定磁性層113と自由磁性層115とは、いずれも、自発磁化を有する強磁性層を含んでいる。固定磁性層113の自発磁化の向き(orientation)は所定の方向に固定されている。一方、自由磁性層115の自発磁化の向きは反転可能であり、固定磁性層113の自発磁化の向きと平行、又は反平行になることが許されている。   FIG. 2 is a conceptual diagram showing the structure of a conventional magnetoresistive element. The magnetoresistive element 110 includes a lower electrode layer 111, an antiferromagnetic layer 112, a pinned magnetic layer (pinned layer) 113, a barrier layer 114, a free magnetic layer (free layer) 115, and an upper electrode layer 116. The barrier layer 114 is a nonmagnetic layer including an insulating film or a metal film, and is sandwiched between the fixed magnetic layer 113 and the free magnetic layer 115. Each of the fixed magnetic layer 113 and the free magnetic layer 115 includes a ferromagnetic layer having spontaneous magnetization. The direction of spontaneous magnetization of the pinned magnetic layer 113 is fixed in a predetermined direction. On the other hand, the direction of spontaneous magnetization of the free magnetic layer 115 can be reversed, and is allowed to be parallel or antiparallel to the direction of spontaneous magnetization of the pinned magnetic layer 113.

固定磁性層113と自由磁性層115の自発磁化の向きが“反平行”である場合の磁気抵抗素子110の抵抗値(R+ΔR)は、磁気抵抗効果により、それらが“平行”である場合の抵抗値(R)よりも大きくなることが知られている。MRAM100は、この磁気抵抗素子110をメモリセル103として用い、この抵抗値の変化を利用することによってデータを不揮発的に記憶する。メモリセル103のデータの書き換えは、自由磁性層115の自発磁化の向きを反転させることによって行われる。具体的には、自由磁性層115の磁化容易軸が書込みワード線101あるいは書込みビット線102と平行になるように、メモリセル103は配置されている。これら書込みワード線101と書込みビット線102に、それぞれ書込み電流IWL及びIBLが供給される。書込み電流IWL,IBLが所定の条件を満たす場合、その書込み電流により発生する外部磁界によって、自由磁性層115の自発磁化の向きが反転される。The resistance value (R + ΔR) of the magnetoresistive element 110 when the direction of the spontaneous magnetization of the fixed magnetic layer 113 and the free magnetic layer 115 is “antiparallel” is the resistance when they are “parallel” due to the magnetoresistance effect. It is known to be larger than the value (R). The MRAM 100 uses the magnetoresistive element 110 as the memory cell 103, and stores data in a nonvolatile manner by utilizing the change in the resistance value. Data rewriting of the memory cell 103 is performed by reversing the direction of spontaneous magnetization of the free magnetic layer 115. Specifically, the memory cell 103 is arranged so that the easy axis of the free magnetic layer 115 is parallel to the write word line 101 or the write bit line 102. Write currents I WL and I BL are supplied to the write word line 101 and the write bit line 102, respectively. When the write currents I WL and I BL satisfy a predetermined condition, the direction of the spontaneous magnetization of the free magnetic layer 115 is reversed by the external magnetic field generated by the write current.

図3Aは、その所定の条件(閾値)を示す図である。図3Aに示される曲線はアステロイドカーブと呼ばれており、自由磁性層115の自発磁化の反転に必要な最低限の書込み電流IWL、IBLを示す。つまり、このアステロイドカーブの外側のReversal領域に対応する書込み電流IWL、IBLが供給された場合、データの書き換えが行われる。一方、供給される書込み電流IWL、IBLが、アステロイドカーブの内側のRetention領域に落ちる場合、データの書き換えは行われない。その閾値の書込み電流IWL、IBLによって発生する外部磁界をH,Hとし、一軸異方性磁界をHとする。この時、磁界h(=H/H),h(=H/H)に対して以下の関係が成立する。FIG. 3A is a diagram showing the predetermined condition (threshold value). The curve shown in FIG. 3A is called an asteroid curve, and shows the minimum write currents I WL and I BL necessary for reversing the spontaneous magnetization of the free magnetic layer 115. That is, when the write currents I WL and I BL corresponding to the Reversal region outside the asteroid curve are supplied, the data is rewritten. On the other hand, when the supplied write currents I WL and I BL fall in the Retention region inside the asteroid curve, data is not rewritten. The external magnetic fields generated by the threshold write currents I WL and I BL are H X and H Y , and the uniaxial anisotropic magnetic field is H K. At this time, the following relationship is established for the magnetic fields h X (= H X / H K ), h Y (= H Y / H K ).

Figure 2006062150
Figure 2006062150

図3Bは、複数のメモリセルに対するアステロイドカーブの分布を示す。各メモリセルが有する磁気抵抗素子110の特性にはバラツキが存在する。そのため、複数のメモリセルに対するアステロイドカーブ群(曲線群)は、図3Bに示されるように、曲線Cmaxと曲線Cminの間に分布することになる。書込みが行われるためには、書込み電流IWL、IBLは、少なくとも、曲線Cmaxの外側のReversal領域に存在する必要がある。ここで、その書込み電流IWL、IBLは、対象となるメモリセル以外のメモリセルにも影響を与える(以下、「ディスターブ」と参照される)。書込み電流IWLとIBLのいずれか一方により発生する磁界によって、対象ではないメモリセルに書込みが行われないようにする必要がある。そのため、書込みワード線101を流れる電流IWLはIX(min)より小さく、且つ、書込みビット線102を流れる電流IBLはIY(min)より小さい必要がある。よって、書込み電流IWL、IBLは、図3B中のハッチング領域(書込みマージン)に対応していなければならない。磁気抵抗素子110の特性のバラツキが大きくなるにつれ、この書込みマージンは小さくなる。FIG. 3B shows an asteroid curve distribution for a plurality of memory cells. There are variations in the characteristics of the magnetoresistive element 110 of each memory cell. Therefore, the asteroid curve group (curve group) for a plurality of memory cells is distributed between the curve Cmax and the curve Cmin as shown in FIG. 3B. In order to perform writing, the write currents I WL and I BL need to exist at least in the reversal region outside the curve Cmax. Here, the write currents I WL and I BL also affect memory cells other than the target memory cell (hereinafter referred to as “disturb”). It is necessary to prevent writing to a non-target memory cell by a magnetic field generated by one of the write currents I WL and I BL . Therefore, the current I WL flowing through the write word line 101 needs to be smaller than I X (min) , and the current I BL flowing through the write bit line 102 needs to be smaller than I Y (min) . Therefore, the write currents I WL and I BL must correspond to the hatched area (write margin) in FIG. 3B. As the variation in the characteristics of the magnetoresistive element 110 increases, the write margin decreases.

このようなメモリ特性の劣化や誤書込み(ディスターブ)を抑制するための技術として、「トグル書込み方式」が提案されている。例えば、米国特許US6545906号(第2従来例)には、トグル書込み方式のMRAMが開示されている。トグル書込み方式のMRAMにおいては、「反強磁性結合力」が用いられる。ある種の材料は、隣り合う磁化を逆向きに働かせる力(反強磁性結合力)を持っており、これは反強磁性材料と呼ばれる。極めて薄い導電膜を強磁性膜の間に挟み込むことでも、同様の反強磁性結合力を働かせることができることが知られている。トグル書込み方式のMRAMにおいては、互いに反強磁性的に結合したN層(Nは2以上の整数)の磁性膜が用いられる。第2従来例においては、N=2とN=3の場合が示されている。   As a technique for suppressing such deterioration of memory characteristics and erroneous writing (disturbance), a “toggle writing method” has been proposed. For example, US Pat. No. 6,545,906 (second conventional example) discloses a toggle writing MRAM. In the toggle writing type MRAM, “antiferromagnetic coupling force” is used. Some materials have a force (antiferromagnetic coupling force) that causes adjacent magnetizations to work in opposite directions, which is called an antiferromagnetic material. It is known that a similar antiferromagnetic coupling force can be exerted by sandwiching an extremely thin conductive film between ferromagnetic films. In toggle write MRAM, N layers (N is an integer of 2 or more) magnetic films that are antiferromagnetically coupled to each other are used. In the second conventional example, N = 2 and N = 3 are shown.

図4A及び図4Bは、トグル書込み方式のMRAMにおいて用いられる磁気抵抗素子120の構造を示す概念図である。この磁気抵抗素子120は、下部電極層121、反強磁性層122、固定磁性層(ピン層)123、バリア層124、自由磁性層(フリー層)125及び上部電極層126を含んでいる。ここで、この自由磁性層125は、「反強磁性的」に結合した第1磁性膜131と第2磁性膜132を含んでいる(N=2)。具体的には、第1磁性膜131と第2磁性膜132との間には、薄い非磁性膜133が挟まれている。この反強磁性結合により、図4A及び図4B中の矢印で示されているように、第1磁性膜131と第2磁性膜132の自発磁化の方向は、安定状態において反平行となる。自由磁性層(フリー層)125中の第1磁性膜131と第2磁性膜132の自発磁化の向きは反転可能である。一方の自発磁化が反転した場合、反平行状態を保つように、他方の自発磁化も反転する。   4A and 4B are conceptual diagrams showing the structure of the magnetoresistive element 120 used in the toggle write MRAM. The magnetoresistive element 120 includes a lower electrode layer 121, an antiferromagnetic layer 122, a pinned magnetic layer (pinned layer) 123, a barrier layer 124, a free magnetic layer (free layer) 125, and an upper electrode layer 126. Here, the free magnetic layer 125 includes a first magnetic film 131 and a second magnetic film 132 that are coupled “antiferromagnetically” (N = 2). Specifically, a thin nonmagnetic film 133 is sandwiched between the first magnetic film 131 and the second magnetic film 132. Due to this antiferromagnetic coupling, the directions of spontaneous magnetization of the first magnetic film 131 and the second magnetic film 132 become antiparallel in a stable state, as indicated by arrows in FIGS. 4A and 4B. The direction of spontaneous magnetization of the first magnetic film 131 and the second magnetic film 132 in the free magnetic layer (free layer) 125 can be reversed. When one spontaneous magnetization is reversed, the other spontaneous magnetization is also reversed so as to keep the antiparallel state.

自由磁性層125中の第1磁性膜131は、バリア層124を介して固定磁性層123上に積層されている。図4Aは、第1磁性膜131の自発磁化の向きと固定磁性層123の自発磁化の向きが“反平行”である「第1状態」を示し、図4Bは、第1磁性膜131の自発磁化の向きと固定磁性層123の自発磁化の向きが“平行”である「第2状態」を示している。磁気抵抗効果により、第1状態における磁気抵抗素子120の抵抗値(R+ΔR)は、第2状態における抵抗値(R)よりも大きくなる。トグル書込み方式のMRAMは、この磁気抵抗素子120をメモリセル103として用い、抵抗値の変化を利用することによってデータを不揮発的に記憶する。例えば、図4Aに示される第1状態は、データ「1」に対応付けられ、図4Bに示される第2状態は、データ「0」に対応付けられる。   The first magnetic film 131 in the free magnetic layer 125 is stacked on the pinned magnetic layer 123 via the barrier layer 124. 4A shows a “first state” in which the direction of spontaneous magnetization of the first magnetic film 131 and the direction of spontaneous magnetization of the pinned magnetic layer 123 are “antiparallel”, and FIG. 4B shows the spontaneous state of the first magnetic film 131. A “second state” is shown in which the direction of magnetization and the direction of spontaneous magnetization of the pinned magnetic layer 123 are “parallel”. Due to the magnetoresistive effect, the resistance value (R + ΔR) of the magnetoresistive element 120 in the first state becomes larger than the resistance value (R) in the second state. The toggle-write type MRAM uses the magnetoresistive element 120 as the memory cell 103, and stores data in a nonvolatile manner by utilizing a change in resistance value. For example, the first state illustrated in FIG. 4A is associated with data “1”, and the second state illustrated in FIG. 4B is associated with data “0”.

図5は、トグル書込み方式のMRAMにおける自発磁化の方向を示す平面図である。図5において、書込みワード線101及び書込みビット線102は、互いに直交するS方向及びT方向に沿ってそれぞれ形成されている。メモリセル(磁気抵抗素子120)は、書込みワード線101と書込みビット線102に挟まれて配置されている。ここで、磁気抵抗素子120の自由磁性層125における「磁化容易軸方向」をX方向とし、「磁化困難軸方向」をY方向とする。トグル書込み方式のMRAMにおいては、図5に示されるように、磁化容易軸方向(X方向)がS方向あるいはT方向と45度の角をなすように、メモリセルが配置される。安定状態において、第1磁性膜131の自発磁化と第2磁性膜132の自発磁化は、互いに反平行であり、且つ、S方向あるいはT方向と45度の角度をなしている。   FIG. 5 is a plan view showing the direction of spontaneous magnetization in a toggle write type MRAM. In FIG. 5, a write word line 101 and a write bit line 102 are formed along the S direction and the T direction, which are orthogonal to each other. The memory cell (the magnetoresistive element 120) is disposed between the write word line 101 and the write bit line 102. Here, the “easy magnetization direction” in the free magnetic layer 125 of the magnetoresistive element 120 is defined as the X direction, and the “hard magnetization direction” is defined as the Y direction. In the toggle write MRAM, as shown in FIG. 5, memory cells are arranged such that the easy axis direction (X direction) forms an angle of 45 degrees with the S direction or the T direction. In a stable state, the spontaneous magnetization of the first magnetic film 131 and the spontaneous magnetization of the second magnetic film 132 are antiparallel to each other and form an angle of 45 degrees with the S direction or the T direction.

このようなMRAMにおいて、データの書込みは、第1磁性膜131と第2磁性膜132における自発磁化の方向を反転させることによって行われる。トグル書込み方式によれば、データの書込みの前に、対象メモリセルに格納されているデータ(格納データ)の読み出しが行われる。格納データと書込みデータが異なっている場合にのみ、書込み動作が実行される。   In such an MRAM, data is written by reversing the direction of spontaneous magnetization in the first magnetic film 131 and the second magnetic film 132. According to the toggle writing method, the data (stored data) stored in the target memory cell is read before the data is written. Only when the stored data and the write data are different, the write operation is executed.

図6Aと6Bは、トグル書込み方式のMRAMにおける書込み動作を示すタイミングチャートである。まず、時刻t1で、書込みワード線101に書込み電流IWLが供給され、時刻t2で、書込みビット線102に書込み電流IBLが供給される。続いて、時刻t3で、書込み電流IWLの供給が停止し、時刻t4で、書込み電流IBLの供給が停止する。このような電流制御を行うことによって、第1磁性膜131と第2磁性膜132における自発磁化の方向が反転する(第2従来例参照)。つまり、トグル書込み方式によれば、自由磁性層125の磁化状態は、書込み動作の度に、「第1状態」と「第2状態」の間でトグルスイッチのように変化する。6A and 6B are timing charts showing the write operation in the toggle write MRAM. First, at time t1, supplied write current I WL is the write word line 101, at time t2, the write current I BL is supplied to the write bit line 102. Then, at time t3, stops the supply of the write current I WL, at the time t4, the supply of the write current I BL is stopped. By performing such current control, the directions of spontaneous magnetization in the first magnetic film 131 and the second magnetic film 132 are reversed (see the second conventional example). That is, according to the toggle writing method, the magnetization state of the free magnetic layer 125 changes like a toggle switch between the “first state” and the “second state” at every write operation.

図7は、トグル書込み方式のMRAMにおける閾値特性を示すグラフ図である。図7において、縦軸と横軸は、それぞれ書込み電流IWL、IBLを示す。データが書き込まれる“選択セル”に対応する書込みワード線101及び書込みビット線102には、図中の「TOGGLE」と示された領域に対応する書込み電流IWL,IBLが供給される。これにより、その選択セルにおいてトグル動作が行われる。ここで、図7に示されるように、この閾値特性はX切片、Y切片を持たない。よって、書込みワード線101及び書込みビット線102のいずれか一方が選択セルと共通である“半選択セル”には、いずれかの書込み電流による磁界しか印加されない。従って、その半選択セルにおいてトグル動作は起こらない。このように、トグル書込み方式のMRAMによれば、図3Bに示された従来のMRAMと比較して、誤書込みが大幅に低減される。また、書込み電流の値を厳密に制御する必要がないので、書込みマージンは飛躍的に向上する。FIG. 7 is a graph showing threshold characteristics in a toggle writing MRAM. In FIG. 7, the vertical axis and the horizontal axis indicate the write currents I WL and I BL , respectively. Write currents I WL and I BL corresponding to an area indicated by “TOGGLE” in the drawing are supplied to the write word line 101 and the write bit line 102 corresponding to the “selected cell” into which data is written. As a result, a toggle operation is performed in the selected cell. Here, as shown in FIG. 7, this threshold characteristic has no X-intercept and Y-intercept. Therefore, only the magnetic field generated by one of the write currents is applied to the “half-selected cell” in which one of the write word line 101 and the write bit line 102 is common to the selected cell. Therefore, no toggle operation occurs in the half-selected cell. As described above, according to the MRAM of the toggle writing system, erroneous writing is greatly reduced as compared with the conventional MRAM shown in FIG. 3B. In addition, since it is not necessary to strictly control the value of the write current, the write margin is greatly improved.

トグル書込み方式のMRAMの動作領域は、次のように規定される。図8Aは、このMRAMの閾値特性を詳細に示すグラフ図である。図8Aにおいて、縦軸と横軸は、それぞれ書込み電流IWL,IBLによって生成される磁界HWL,HBLを示す。図8Bは、トグル書込み方式のMRAMにおける自由磁性層125の磁気抵抗特性を示すグラフ図である。図8Bにおいて、横軸は、磁化容易軸(X軸)方向の磁界Hを示し、縦軸は、抵抗値を示す。The operation area of the toggle write MRAM is defined as follows. FIG. 8A is a graph showing in detail the threshold characteristics of this MRAM. In FIG. 8A, the vertical axis and the horizontal axis indicate magnetic fields H WL and H BL generated by the write currents I WL and I BL , respectively. FIG. 8B is a graph showing the magnetoresistive characteristics of the free magnetic layer 125 in the toggle write MRAM. In FIG. 8B, the horizontal axis represents the magnetic field H X in the direction of the easy axis (X axis), and the vertical axis represents the resistance value.

トグル動作に必要な最小の磁界であって、X軸(磁化容易軸)方向の磁界が、「フロップ磁界(Spin Flop Field)Hsf」と定義される。すなわち、フロップ磁界Hsfの大きさは、図8Aにおいて原点から点aまでの距離で定義される。自由磁性層125が2層の等価な磁性膜から構成される場合、フロップ磁界Hsfは、「一軸異方性磁界H」と「反強磁性結合磁界H」を用いて、次の式で表される。A magnetic field in the X-axis (easy magnetization axis) direction that is the minimum magnetic field necessary for the toggle operation is defined as “Spin Flop Field H sf ”. That is, the magnitude of the flop magnetic field H sf is defined by the distance from the origin to the point a in FIG. 8A. When the free magnetic layer 125 is composed of two equivalent magnetic films, the flop magnetic field H sf is expressed by the following formula using “uniaxial anisotropic magnetic field H K ” and “antiferromagnetic coupling magnetic field H I ”. It is represented by

Figure 2006062150
Figure 2006062150

また、書込み動作時の磁界がある値よりも大きくなった場合、自由磁性層125に含まれる各磁性膜の自発磁化は完全に同じ方向を向いてしまう。この時、動作が不安定になってしまう。不安定にならない限界の磁界は、図8Aにおいて曲線Cで示されている。その限界の磁界であって、X軸(磁化容易軸)方向の磁界が、「飽和磁界(Saturation Field)Hsat」と定義される。すなわち、飽和磁界Hsatの大きさは、図8Aにおいて原点から曲線Cまでの距離で定義される。Further, when the magnetic field during the write operation becomes larger than a certain value, the spontaneous magnetization of each magnetic film included in the free magnetic layer 125 is completely directed in the same direction. At this time, the operation becomes unstable. The critical magnetic field that does not become unstable is shown by curve C in FIG. 8A. The magnetic field at the limit and in the X-axis (easy magnetization axis) direction is defined as “saturation field H sat ”. That is, the magnitude of the saturation magnetic field H sat is defined by the distance from the origin to the curve C in FIG. 8A.

このように、トグル動作領域の上限及び下限は、それぞれフロップ磁界Hsf及び飽和磁界Hsatで規定される。書込み動作時に印加される磁化容易軸方向の磁界Hは、図8Bに示されるように、フロップ磁界Hsfから飽和磁界Hsatまでの範囲に入る必要がある。トグル書込み方式のMRAMにおいて、このトグル動作領域を更に拡大することができる技術が望まれている。そのために、飽和磁界Hsatとフロップ磁界Hsfの比を増加させることができる技術が望まれている。Thus, the upper limit and the lower limit of the toggle operation region are defined by the flop magnetic field H sf and the saturation magnetic field H sat , respectively. The magnetic field H X in the easy axis direction applied during the write operation needs to fall within the range from the flop magnetic field H sf to the saturation magnetic field H sat as shown in FIG. 8B. In toggle write MRAM, a technology that can further expand the toggle operation area is desired. Therefore, a technique that can increase the ratio between the saturation magnetic field H sat and the flop magnetic field H sf is desired.

また、トグル書込み方式のMRAMにおいて、消費電力を低減することができる技術が望まれている。それは、トグル書込み方式のMRAMによる書込み電流は、図2に示される一般的なMRAMによる書込み電流よりも大きくなる傾向があるからである。一例として、図4Aに示された2層の磁性膜から構成された自由磁性層125に対するフロップ磁界Hsfと、図2に示された単層の自由磁性層115に対する書込み磁界との比較を行う。両自由磁性層において、一軸異方性磁界Hは同じと仮定する。図2に示された自由磁性層115に対する書込み磁界は、約Hである。一方、反強磁性結合磁界HがH=4Hで与えられる時、上記数式(2)により、フロップ磁界Hsfは次式で与えられる。In addition, a technique capable of reducing power consumption is desired in a toggle writing type MRAM. This is because the write current by the toggle write MRAM tends to be larger than the write current by the general MRAM shown in FIG. As an example, the flop magnetic field H sf for the free magnetic layer 125 composed of the two magnetic films shown in FIG. 4A and the write magnetic field for the single free magnetic layer 115 shown in FIG. 2 are compared. . It is assumed that the uniaxial anisotropic magnetic field H K is the same in both free magnetic layers. Write field to the free magnetic layer 115 shown in FIG. 2 is about H K. On the other hand, when the antiferromagnetic coupling magnetic field H I is given by H I = 4H K , the flop magnetic field H sf is given by the following formula according to the above formula (2).

Figure 2006062150
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このように、トグル書込み方式によれば、一般的なアステロイド特性と比較して、約51/2倍の書込み磁界、すなわち書込み電流が必要となる。従って、トグル書込み方式のMRAMにおいて、書込み電流を低減することができる技術が望まれている。そのためには、フロップ磁界Hsfが小さいことが望ましい。尚、熱擾乱耐性を確保するために、一軸異方性磁界Hをむやみに小さくすることはできない。As described above, according to the toggle writing method, the writing magnetic field, that is, the writing current, is required to be about 51/2 times that of the general asteroid characteristic. Therefore, a technique capable of reducing the write current in the toggle write MRAM is desired. For this purpose, it is desirable that the flop magnetic field H sf is small. In order to ensure the thermal stability can not be excessively reduced uniaxial anisotropic magnetic field H K.

尚、トグル書込み方式ではない一般的なMRAMの技術として、以下が知られている。   The following is known as a general MRAM technique that is not the toggle writing method.

特開2002−151758号公報(第3従来例)に開示された技術の目的は、熱揺らぎに対して安定な強磁性トンネル磁気抵抗素子を提供することである。この強磁性トンネル磁気抵抗素子のフリー層において、強磁性層と中間層が少なくとも5層以上積層されている。中間層を介して隣接する2層の強磁性層の磁化は、反強磁性的に配列されている。   An object of the technique disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2002-151758 (third conventional example) is to provide a ferromagnetic tunnel magnetoresistive element that is stable against thermal fluctuation. In the free layer of this ferromagnetic tunnel magnetoresistive element, at least five ferromagnetic layers and intermediate layers are laminated. The magnetizations of two ferromagnetic layers adjacent to each other through the intermediate layer are arranged antiferromagnetically.

特開2003−298023号公報(第4従来例)に開示された磁気メモリは、2つの磁気抵抗素子と、それらの間に介在した共通配線を備える。第1の磁気抵抗素子は、第1のピン層と第1のフリー層を有する。第1のピン層は、非磁性層を介して積層された偶数層の強磁性層を含む。第1のフリー層は、単層の強磁性層、あるいは非磁性層を介して積層された複数の強磁性層を含む。第2の磁気抵抗素子は、第2のピン層と第2のフリー層を有する。第2のピン層は、単層の強磁性層、あるいは非磁性層を介して積層された3層以上の強磁性層を含む。第2のフリー層は、単層の強磁性層、あるいは非磁性層を介して積層された複数の強磁性層を含む。   A magnetic memory disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2003-298023 (fourth conventional example) includes two magnetoresistive elements and a common wiring interposed therebetween. The first magnetoresistive element has a first pinned layer and a first free layer. The first pinned layer includes an even number of ferromagnetic layers stacked via a nonmagnetic layer. The first free layer includes a single ferromagnetic layer or a plurality of ferromagnetic layers stacked via a nonmagnetic layer. The second magnetoresistive element has a second pinned layer and a second free layer. The second pinned layer includes a single ferromagnetic layer or three or more ferromagnetic layers stacked via a nonmagnetic layer. The second free layer includes a single ferromagnetic layer or a plurality of ferromagnetic layers stacked via a nonmagnetic layer.

特開2003−331574号公報(第5従来例)には、MRAMの書込み方法が開示されている。この書込み方法は、容易軸及び困難軸を有する磁気抵抗効果素子に、困難軸に平行な第1磁界を作用させるステップと、その後、第1磁界より弱く困難軸に平行な第2磁界と、容易軸に平行な第3磁界とを、同時に磁気抵抗効果素子に作用させるステップとを有する。   Japanese Patent Laying-Open No. 2003-331574 (fifth conventional example) discloses an MRAM writing method. In this writing method, a step of applying a first magnetic field parallel to the hard axis to a magnetoresistive effect element having an easy axis and a hard axis, and then a second magnetic field weaker than the first magnetic field and parallel to the hard axis are facilitated. And simultaneously applying a third magnetic field parallel to the axis to the magnetoresistive element.

特開2004−87870号公報(第6従来例)に開示された磁気抵抗効果素子によれば、ピン層が、フリー層に静磁界を印加するための磁界印加部材としての機能を有している。その静磁界を印加するために、ピン層からの漏洩磁界の強さが、所定の値以上になるように設定されている。   According to the magnetoresistive effect element disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2004-87870 (sixth conventional example), the pinned layer has a function as a magnetic field applying member for applying a static magnetic field to the free layer. . In order to apply the static magnetic field, the strength of the leakage magnetic field from the pinned layer is set to be a predetermined value or more.

特開平5−266651号公報(第7従来例)には、磁性薄膜メモリ素子が開示されている。この磁性薄膜メモリ素子は、磁性薄膜の磁化の向きによって情報を記憶する。この磁性薄膜は、積層構造を有している。具体的には、この磁性薄膜において、保磁力の大きな磁性層aと保磁力の小さな磁性層bが、非磁性層cを介して、a/c/b/c/a/c/b/c・・・というように積層されている。   Japanese Patent Laid-Open No. 5-266651 (Seventh Conventional Example) discloses a magnetic thin film memory element. This magnetic thin film memory element stores information according to the magnetization direction of the magnetic thin film. This magnetic thin film has a laminated structure. Specifically, in this magnetic thin film, a magnetic layer a having a large coercive force and a magnetic layer b having a small coercive force are a / c / b / c / a / c / b / c via a nonmagnetic layer c. ... and so on.

本発明の目的は、ディスターブを抑制することができるトグル書込み方式のMRAMであって、動作領域を拡大することができるMRAMを提供することにある。
本発明の他の目的は、ディスターブを抑制することができるトグル書込み方式のMRAMであって、書込み電流を低減することができるMRAMを提供することにある。
An object of the present invention is to provide a toggle writing MRAM capable of suppressing disturbance and capable of expanding an operation area.
Another object of the present invention is to provide a toggle write type MRAM capable of suppressing disturbance and capable of reducing a write current.

本発明に係る磁気ランダムアクセスメモリは、「トグル書込み方式」である。この磁気ランダムアクセスメモリは、自由磁性層と、固定磁性層と、自由磁性層と固定磁性層に挟まれた非磁性層とを備える。   The magnetic random access memory according to the present invention is a “toggle write system”. The magnetic random access memory includes a free magnetic layer, a pinned magnetic layer, and a nonmagnetic layer sandwiched between the free magnetic layer and the pinned magnetic layer.

自由磁性層は、互いに反強磁性結合した2n層(nは2以上の整数)の磁性膜を有する。自由磁性層は(2n−1)層の非磁性膜を更に有し、上記2n層の磁性膜と、その(2n−1)層の非磁性膜は、交互に積層される。上記(2n−1)層の非磁性膜の膜厚はほぼ等しく、それらの材料は同じであると好ましい。また、上記2n層の磁性膜のそれぞれの膜厚はほぼ等しく、それらの材料は同じであると好ましい。   The free magnetic layer has 2n layers (n is an integer of 2 or more) magnetic films antiferromagnetically coupled to each other. The free magnetic layer further includes (2n-1) nonmagnetic films, and the 2n magnetic films and the (2n-1) nonmagnetic films are alternately stacked. The non-magnetic films of the (2n-1) layer are almost equal in thickness, and the materials are preferably the same. Further, it is preferable that the thicknesses of the 2n-layer magnetic films are substantially equal and the materials thereof are the same.

本願発明者らは、このような構成によって磁気ランダムアクセスメモリの動作領域が拡大することを発見し、実証した。更に、本願発明者らは、このような構成によって磁気ランダムアクセスメモリの書込み電流が低減されることを発見し、実証した。   The inventors of the present application discovered and demonstrated that the operation area of the magnetic random access memory is expanded by such a configuration. Furthermore, the present inventors have discovered and demonstrated that such a configuration reduces the write current of the magnetic random access memory.

図1は、従来のMRAMの構成を示す平面図である。FIG. 1 is a plan view showing a configuration of a conventional MRAM. 図2は、従来のMRAMに用いられる磁気抵抗素子の構造を示す概念図である。FIG. 2 is a conceptual diagram showing the structure of a magnetoresistive element used in a conventional MRAM. 図3Aは、従来のMRAMにおける、あるメモリセルに対する閾値特性(アステロイドカーブ)を示すグラフ図である。FIG. 3A is a graph showing a threshold characteristic (asteroid curve) for a certain memory cell in a conventional MRAM. 図3Bは、従来のMRAMにおける、複数のメモリセルに対する閾値特性の分布を示すグラフ図である。FIG. 3B is a graph showing the distribution of threshold characteristics for a plurality of memory cells in a conventional MRAM. 図4Aは、従来のトグル書込み方式のMRAMに用いられる磁気抵抗素子の構造を示す概念図である。FIG. 4A is a conceptual diagram showing the structure of a magnetoresistive element used in a conventional toggle write MRAM. 図4Bは、従来のトグル書込み方式のMRAMに用いられる磁気抵抗素子の構造を示す概念図である。FIG. 4B is a conceptual diagram showing the structure of a magnetoresistive element used in a conventional toggle write MRAM. 図5は、従来のトグル書込み方式のMRAMにおける自発磁化の方向を示す平面図である。FIG. 5 is a plan view showing the direction of spontaneous magnetization in a conventional toggle write MRAM. 図6Aと6Bは、従来のトグル書込み方式のMRAMにおける書込み動作を示すタイミングチャートである。6A and 6B are timing charts showing a write operation in a conventional toggle write MRAM. 図7は、従来のトグル書込み方式のMRAMにおける閾値特性を示すグラフ図である。FIG. 7 is a graph showing threshold characteristics in a conventional toggle write MRAM. 図8Aは、従来のトグル書込み方式のMRAMにおける閾値特性の詳細を示すグラフ図である。FIG. 8A is a graph showing details of threshold characteristics in a conventional toggle write MRAM. 図8Bは、従来のトグル書込み方式のMRAMにおける自由磁性層の磁気抵抗特性を示すグラフ図である。FIG. 8B is a graph showing the magnetoresistance characteristics of the free magnetic layer in the conventional toggle write MRAM. 図9は、本発明に係るMRAMの構成を示す平面図である。FIG. 9 is a plan view showing the configuration of the MRAM according to the present invention. 図10は、本発明に係るMRAMに用いられる磁気抵抗素子の構造を示す概念図である。FIG. 10 is a conceptual diagram showing the structure of a magnetoresistive element used in the MRAM according to the present invention. 図11は、本発明に係るMRAMにおけるメモリセルの磁化特性を示すグラフ図である。FIG. 11 is a graph showing the magnetization characteristics of the memory cell in the MRAM according to the present invention. 図12Aは、本発明に係るMRAMにおける飽和磁界と一軸異方性磁界との関係を示すグラフ図である。FIG. 12A is a graph showing the relationship between the saturation magnetic field and the uniaxial anisotropic magnetic field in the MRAM according to the present invention. 図12Bは、本発明に係るMRAMにおける飽和磁界と磁性膜の積層枚数Nとの関係を示すグラフ図である。FIG. 12B is a graph showing the relationship between the saturation magnetic field and the number N of stacked magnetic films in the MRAM according to the present invention. 図13Aは、本発明に係るMRAMにおけるフロップ磁界と一軸異方性磁界との関係を示すグラフ図である。FIG. 13A is a graph showing a relationship between a flop magnetic field and a uniaxial anisotropic magnetic field in the MRAM according to the present invention. 図13Bは、本発明に係るMRAMにおけるフロップ磁界と磁性膜の積層枚数Nとの関係を示すグラフ図である。FIG. 13B is a graph showing the relationship between the flop magnetic field and the number N of stacked magnetic films in the MRAM according to the present invention. 図14は、本発明に係るMRAMに用いられる磁気抵抗素子の構造の一例を示す概念図である。FIG. 14 is a conceptual diagram showing an example of the structure of a magnetoresistive element used in the MRAM according to the present invention. 図15は、本発明に係るMRAMに用いられる磁気抵抗素子の構造の他の例を示す概念図である。FIG. 15 is a conceptual diagram showing another example of the structure of the magnetoresistive element used in the MRAM according to the present invention. 図16は、図14及び図15に示された磁気抵抗素子の磁化特性を示すグラフ図である。FIG. 16 is a graph showing the magnetization characteristics of the magnetoresistive element shown in FIGS. 14 and 15. 図17は、本発明に係るMRAMに用いられる磁気抵抗素子の構造の更に他の例を示す概念図である。FIG. 17 is a conceptual diagram showing still another example of the structure of the magnetoresistive element used in the MRAM according to the present invention.

添付図面を参照して、本発明による磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM)を説明する。本発明に係るMRAMは、「トグル書込み方式」のMRAMである。   A magnetic random access memory (MRAM) according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The MRAM according to the present invention is a “toggle writing type” MRAM.

図9は、本発明に係るMRAMの構成を示す平面図である。本発明に係るMRAM1は、S方向に沿って形成された書込みワード線2と、T方向に沿って形成された書込みビット線3を備えている。S方向とT方向は、互いに略直角である。つまり、書込みワード線2と書込みビット線3は、互いに交差するように設けられている。書込み動作時、書込みワード線2には書込み電流IWLが供給され、この書込み電流IWLによってT方向の書込み磁界HWLが生成される。また、書込み動作時、書込みビット線3には書込み電流IBLが供給され、この書込み電流IBLによってS方向の書込み磁界HBLが生成される。FIG. 9 is a plan view showing the configuration of the MRAM according to the present invention. The MRAM 1 according to the present invention includes a write word line 2 formed along the S direction and a write bit line 3 formed along the T direction. The S direction and the T direction are substantially perpendicular to each other. That is, the write word line 2 and the write bit line 3 are provided so as to cross each other. During the write operation, a write current I WL is supplied to the write word line 2, and a write magnetic field H WL in the T direction is generated by the write current I WL . Also, during a write operation, the write bit line 3 is supplied write current I BL, the S direction of the write magnetic field H BL is generated by the write current I BL.

書込みワード線2と書込みビット線3の交点には、メモリセル4が設けられている。メモリセル4は、書込みワード線2と書込みビット線3に挟まれるように配置されており、上記書込み磁界HWL及びHBLが、このメモリセル4に作用する。また、メモリセル4は、磁気抵抗効果を示す磁気抵抗素子10を有している。磁気抵抗素子10に含まれる自由磁性層(フリー層)の磁化容易軸方向はX方向と定義され、その磁化困難軸方向はY方向と定義される。図9に示されるように、本発明において、X方向は、上記S方向あるいはT方向に対して略45度の角をなす。つまり、磁化容易軸と書込みワード線2あるいは書込みビット線3とのなす角が略45度になるように、磁気抵抗素子10は配置されている。A memory cell 4 is provided at the intersection of the write word line 2 and the write bit line 3. The memory cell 4 is disposed so as to be sandwiched between the write word line 2 and the write bit line 3, and the write magnetic fields H WL and H BL act on the memory cell 4. Further, the memory cell 4 has a magnetoresistive element 10 showing a magnetoresistive effect. The easy axis direction of the free magnetic layer (free layer) included in the magnetoresistive element 10 is defined as the X direction, and the hard axis direction is defined as the Y direction. As shown in FIG. 9, in the present invention, the X direction forms an angle of approximately 45 degrees with respect to the S direction or the T direction. That is, the magnetoresistive element 10 is arranged so that the angle formed between the easy magnetization axis and the write word line 2 or the write bit line 3 is about 45 degrees.

図10は、本発明に係る磁気抵抗素子10の構造を示す概念図である。この磁気抵抗素子10は、下部電極層11、反強磁性層12、固定磁性層(ピン層)13、バリア層14、自由磁性層(フリー層)15及び上部電極層16を含んでいる。固定磁性層13と自由磁性層15とは、いずれも、自発磁化を有する強磁性層を含んでいる。固定磁性層13の自発磁化の向き(orientation)は所定の方向に固定されている。一方、自由磁性層15の自発磁化の向きは反転可能である。バリア層14は、絶縁膜あるいは金属膜を含む非磁性層であり、固定磁性層13と自由磁性層15に挟まれている。バリア層14は、例えば、トンネル絶縁膜である。この時、固定磁性層13、バリア層14、及び自由磁性層15によって、磁気トンネル接合(MTJ; Magnetic Tunnel Junction)が形成される。   FIG. 10 is a conceptual diagram showing the structure of the magnetoresistive element 10 according to the present invention. The magnetoresistive element 10 includes a lower electrode layer 11, an antiferromagnetic layer 12, a pinned magnetic layer (pinned layer) 13, a barrier layer 14, a free magnetic layer (free layer) 15, and an upper electrode layer 16. Each of the fixed magnetic layer 13 and the free magnetic layer 15 includes a ferromagnetic layer having spontaneous magnetization. The direction of spontaneous magnetization of the pinned magnetic layer 13 is fixed in a predetermined direction. On the other hand, the direction of spontaneous magnetization of the free magnetic layer 15 can be reversed. The barrier layer 14 is a nonmagnetic layer including an insulating film or a metal film, and is sandwiched between the pinned magnetic layer 13 and the free magnetic layer 15. The barrier layer 14 is, for example, a tunnel insulating film. At this time, a magnetic tunnel junction (MTJ) is formed by the pinned magnetic layer 13, the barrier layer 14, and the free magnetic layer 15.

本発明によれば、自由磁性層15は、互いに反強磁性結合した2n層(nは2以上の整数)の磁性膜20−1〜20−2nを備えている。つまり、自由磁性層15は、4以上の偶数層の磁性膜20を有しており、それら複数の磁性膜20−1〜20−2nは、互いに反強磁性結合している。隣接する磁性膜20の間には、反強磁性結合を実現するための非磁性膜(反強磁性結合膜)30が形成されている。つまり、自由磁性層15は、(2n−1)層の非磁性膜30−1〜30−(2n−1)をも備えている。そして、図10に示されるように、2n層の磁性膜20と(2n−1)層の非磁性膜30は、交互に積層されている。   According to the present invention, the free magnetic layer 15 includes 2n layers (n is an integer of 2 or more) of magnetic films 20-1 to 20-2n that are antiferromagnetically coupled to each other. That is, the free magnetic layer 15 has four or more even-numbered magnetic films 20, and the plurality of magnetic films 20-1 to 20-2 n are antiferromagnetically coupled to each other. A nonmagnetic film (antiferromagnetic coupling film) 30 for realizing antiferromagnetic coupling is formed between adjacent magnetic films 20. That is, the free magnetic layer 15 also includes (2n-1) non-magnetic films 30-1 to 30- (2n-1). As shown in FIG. 10, the 2n magnetic films 20 and the (2n-1) nonmagnetic films 30 are alternately stacked.

好適には、2n層の磁性膜20は互いに等価である。つまり、2n層の磁性膜20の材料や膜厚は、それぞれ同じであることが好ましい。磁性膜20の材料として、Ni,Fe,Co,Mn及びそれらの化合物から構成されるグループから選択される少なくとも一種類が例示される。また、磁性膜20の膜厚として、1.5nm〜10nmが例示される。また、好適には、(2n−1)層の非磁性膜30は互いに等価である。つまり、(2n−1)層の非磁性膜30の材料や膜厚は、それぞれ同じであると好ましい。非磁性膜30の材料として、Ru,Os,Re,Ti,Cr,Rh,Cu,Pt,Pdから構成されるグループから選択される少なくとも一種類が例示される。また、非磁性膜30の膜厚として、0.4nm〜3nmが例示される。   Preferably, the 2n magnetic films 20 are equivalent to each other. That is, it is preferable that the material and film thickness of the 2n-layer magnetic film 20 are the same. Examples of the material of the magnetic film 20 include at least one selected from the group consisting of Ni, Fe, Co, Mn, and compounds thereof. Further, the film thickness of the magnetic film 20 is exemplified by 1.5 nm to 10 nm. Preferably, the (2n-1) nonmagnetic films 30 are equivalent to each other. That is, it is preferable that the nonmagnetic film 30 of the (2n-1) layer has the same material and film thickness. Examples of the material of the nonmagnetic film 30 include at least one selected from the group consisting of Ru, Os, Re, Ti, Cr, Rh, Cu, Pt, and Pd. Further, the film thickness of the nonmagnetic film 30 is exemplified by 0.4 nm to 3 nm.

このような積層構造によって、互いに反強磁性結合した2n層の磁性膜20−1〜20−2nが実現される。これにより、隣接する2層の磁性膜20における自発磁化の方向は、安定状態において“反平行”となる。つまり、図10に示されるように、2n層の磁性膜20−1〜20−2nにおける自発磁化の方向は交互になる。   With such a laminated structure, 2n layers of magnetic films 20-1 to 20-2n antiferromagnetically coupled to each other are realized. Thereby, the direction of the spontaneous magnetization in the two adjacent magnetic films 20 is “antiparallel” in the stable state. That is, as shown in FIG. 10, the directions of spontaneous magnetization in the 2n magnetic films 20-1 to 20-2n are alternated.

この磁気抵抗素子10は、2つの安定状態を有する。「第1の状態」では、図10中の矢印で示されるように、バリア層14に隣接する磁性膜20−1における自発磁化の方向は、固定磁性層13における自発磁化の方向に“反平行”である。「第2の状態」では、2n層の磁性膜20における自発磁化の方向が全体的に反転している。つまり、磁性膜20−1における自発磁化の方向は、固定磁性層13における自発磁化の方向に“平行”である。磁気抵抗効果により、第1状態における磁気抵抗素子10の抵抗値(R+ΔR)は、第2状態における抵抗値(R)よりも大きくなる。MRAM1は、この抵抗値の変化を利用することによってデータを不揮発的に記憶する。例えば、図10に示される第1状態は、データ「1」に対応付けられ、第2状態は、データ「0」に対応付けられる。   The magnetoresistive element 10 has two stable states. In the “first state”, as indicated by an arrow in FIG. 10, the direction of spontaneous magnetization in the magnetic film 20-1 adjacent to the barrier layer 14 is “antiparallel to the direction of spontaneous magnetization in the pinned magnetic layer 13. ". In the “second state”, the direction of spontaneous magnetization in the 2n-layer magnetic film 20 is entirely reversed. That is, the direction of spontaneous magnetization in the magnetic film 20-1 is “parallel” to the direction of spontaneous magnetization in the pinned magnetic layer 13. Due to the magnetoresistive effect, the resistance value (R + ΔR) of the magnetoresistive element 10 in the first state is larger than the resistance value (R) in the second state. The MRAM 1 stores data in a nonvolatile manner by utilizing the change in resistance value. For example, the first state shown in FIG. 10 is associated with data “1”, and the second state is associated with data “0”.

あるメモリセル4に格納されたデータの読み出しは、この磁気抵抗素子10の抵抗値の大きさを検出することによって行われる。具体的には、下部電極層11と上部電極層16の間に所定の電圧を印加し、磁気抵抗素子10を流れる電流の大きさを検出することによって、抵抗値の大きさが検出される。検出された抵抗値の大きさによって、対象メモリセル4に格納されているデータが判定される。   Reading of data stored in a certain memory cell 4 is performed by detecting the magnitude of the resistance value of the magnetoresistive element 10. Specifically, the magnitude of the resistance value is detected by applying a predetermined voltage between the lower electrode layer 11 and the upper electrode layer 16 and detecting the magnitude of the current flowing through the magnetoresistive element 10. The data stored in the target memory cell 4 is determined based on the detected resistance value.

また、データの書込みは、自由磁性層15に含まれる2n層の磁性膜20における自発磁化の方向を反転させることによって行われる。トグル書込み方式によれば、データの書込みの前に、対象メモリセルに格納されているデータ(格納データ)の読み出しが行われる。格納データと書込みデータが異なっている場合にのみ、書込み動作が実行される。   Data is written by reversing the direction of spontaneous magnetization in the 2n-layer magnetic film 20 included in the free magnetic layer 15. According to the toggle writing method, the data (stored data) stored in the target memory cell is read before the data is written. Only when the stored data and the write data are different, the write operation is executed.

書込み動作は、次の順番で行われる。すなわち、時刻t1で、書込みワード線2に書込み電流IWLが供給され、時刻t2で、書込みビット線3に書込み電流IBLが供給される。続いて、時刻t3で、書込み電流IWLの供給が停止し、時刻t4で、書込み電流IBLの供給が停止する。つまり、書込みワード線2には、時刻t1から時刻t3までパルスが印加され、書込みビット線3には、時刻t2から時刻t4までパルスが印加される。ここで、時刻t1<時刻t2<時刻t3<時刻t4である(図6Aと6B参照)。このような電流制御を行うことによって、すなわち、書込み電流IWLとIBLを供給するタイミングをずらすことによって、複数の磁性膜20における自発磁化が反転する。トグル書込み方式によれば、自由磁性層15の磁化状態は、書込み動作の度に、「第1状態」と「第2状態」の間でトグルスイッチのように変化する。The write operation is performed in the following order. That is, at time t1, the write current I WL is supplied to the write word line 2, at time t2, the write current I BL is supplied to the write bit line 3. Then, at time t3, stops the supply of the write current I WL, at the time t4, the supply of the write current I BL is stopped. That is, a pulse is applied to the write word line 2 from time t1 to time t3, and a pulse is applied to the write bit line 3 from time t2 to time t4. Here, time t1 <time t2 <time t3 <time t4 (see FIGS. 6A and 6B). By performing such a current control, i.e., by shifting the timing for supplying the write current I WL and I BL, the spontaneous magnetization in a plurality of the magnetic film 20 is reversed. According to the toggle writing method, the magnetization state of the free magnetic layer 15 changes like a toggle switch between the “first state” and the “second state” each time the write operation is performed.

このように、本発明に係るMRAM1によれば、自由磁性層15は、互いに「反強磁性結合」した2n層(nは2以上の整数)の磁性膜20を有している。本願発明者らは、このような構成によってMRAM1の動作領域が拡大することを発見し、実証した。更に、本願発明者らは、このような構成によってMRAM1の書込み電流が低減されることを発見し、実証した。以下、その根拠となるデータを詳細に説明する。   As described above, according to the MRAM 1 according to the present invention, the free magnetic layer 15 has the magnetic film 20 of 2n layers (n is an integer of 2 or more) mutually “antiferromagnetically coupled”. The inventors of the present application have discovered and demonstrated that the operation area of the MRAM 1 is expanded by such a configuration. Furthermore, the present inventors have discovered and demonstrated that such a configuration reduces the write current of the MRAM 1. Hereinafter, the data that serves as the basis will be described in detail.

図11は、等価な2n層の磁性膜20を有する自由磁性層15の磁化特性を示している。横軸は、磁化容易軸方向(X方向)の磁界Hを示し、縦軸は、飽和磁化Mによって規格化された磁化Mを示している。また、磁性膜20の積層数をN(=2n)とする。図11においては、N=2、N=4、N=6、N=8、N=10の5種類のメモリセルに対する磁化特性が示されている。尚、この磁化特性は、Landau-Lifshitz方程式を数値的に解くことによって得られる。図11に示されるように、積層数Nが増加するにつれて、「飽和磁界Hsat」が増加することが分かった。このような多層膜においては、両端ではない磁性膜20に対して、上層と下層から複数の反強磁性結合磁界が作用し、その結果として飽和磁界Hsatが増加したものと考えられる。FIG. 11 shows the magnetization characteristics of the free magnetic layer 15 having the equivalent 2n magnetic film 20. The horizontal axis represents the magnetic field H X in the easy magnetization axis direction (X direction), and the vertical axis represents the magnetization M X normalized by the saturation magnetization M s . Further, the number of stacked magnetic films 20 is N (= 2n). FIG. 11 shows magnetization characteristics for five types of memory cells, N = 2, N = 4, N = 6, N = 8, and N = 10. This magnetization characteristic can be obtained by numerically solving the Landau-Lifshitz equation. As shown in FIG. 11, it was found that “saturation magnetic field H sat ” increases as the number N of stacked layers increases. In such a multilayer film, it is considered that a plurality of antiferromagnetic coupling magnetic fields act on the magnetic film 20 not at both ends from the upper layer and the lower layer, and as a result, the saturation magnetic field H sat increased.

また、一般的に、磁化容易軸方向(X方向)に磁界Hを印加した際の、“2層”の等価な磁性膜からなる系のエネルギーEtは、次式で表される。   In general, when a magnetic field H is applied in the easy axis direction (X direction), the energy Et of a system composed of “two-layer” equivalent magnetic films is expressed by the following equation.

Figure 2006062150
Figure 2006062150

ここで、Kは異方性エネルギー、Jは反強磁性結合エネルギー、Mは磁化、θは第1磁性膜と磁化容易軸とのなす角、θは第2磁性膜と磁化容易軸とのなす角、Hは一軸異方性磁界(=2Ku/M)、Hは反強磁性結合磁界(=2J/M)をそれぞれ示す。“多層”の等価な磁性膜からなる系のエネルギーは、これらのヤコビアンを計算することによって導出される。Here, Ku is the anisotropic energy, J is the antiferromagnetic coupling energy, M is the magnetization, θ 1 is the angle between the first magnetic film and the easy axis, and θ 2 is the second magnetic film and the easy axis. angle between, H K uniaxial anisotropy field (= 2Ku / M), H I indicates anti-ferromagnetic coupling field (= 2J / M), respectively. The energy of a system consisting of “multilayer” equivalent magnetic films is derived by calculating these Jacobians.

図12Aは、飽和磁界Hsatと一軸異方性磁界Hとの関係を、積層数Nをパラメータとして示している。図12Aにおいて、縦軸及び横軸は、反強磁性結合磁界Hによって規格化された飽和磁界Hsat及び一軸異方性磁界Hをそれぞれ示している。尚、これらの導出は、上記数式(4)のヤコビアンを計算することによって行われる。図12Aに示されるように、ある積層数Nに関しては、規格化された一軸異方性磁界H/Hが小さいほど、規格化された飽和磁界Hsat/Hは大きくなる。FIG. 12A shows the relationship between the saturation magnetic field H sat and the uniaxial anisotropy magnetic field H K using the number N of layers as a parameter. In Figure 12A, the vertical and horizontal axes show respectively the saturation magnetic field H sat and the uniaxial anisotropy field H K, which is normalized by the antiferromagnetic coupling field H I. These derivations are performed by calculating the Jacobian of the above formula (4). As shown in FIG. 12A, with respect to certain number of stacked layers N, as uniaxial anisotropic magnetic field H K / H I that are standardized small, the saturation magnetic field H sat / H I that are standardized increases.

図12Bは、H=0の場合における、規格化された飽和磁界Hsat/Hの積層数Nに対する依存性を示している。図12Bに示されるように、磁性膜20の積層数Nが増加するにつれて、規格化された飽和磁界Hsat/Hは大きくなる。つまり、フロップ磁界Hsfが一定の場合、積層数Nが増加するにつれて飽和磁界Hsatは大きくなる。これは、動作領域(Hsat−Hsf)が拡がることを意味する。12B is in the case of H K = 0, show a dependence on the number of stacked layers N of normalized saturation field H sat / H I. As shown in FIG. 12B, as the number of stacked layers N of the magnetic film 20 is increased, the saturation magnetic field H sat / H I that are standardized increases. That is, when the flop magnetic field H sf is constant, the saturation magnetic field H sat increases as the number N of stacked layers increases. This means that the operation region (H sat −H sf ) is expanded.

図13Aは、フロップ磁界Hsfと一軸異方性磁界Hとの関係を、積層数Nをパラメータとして示している。図13Aにおいて、縦軸及び横軸は、反強磁性結合磁界Hによって規格化されたフロップ磁界Hsf及び一軸異方性磁界Hをそれぞれ示している。尚、これらの導出は、上記数式(4)のヤコビアンを計算することによって行われる。図13Aに示されるように、積層数Nが偶数の場合(N=2n)、数の多少に関わらず、規格化されたフロップ磁界Hsf/Hには同じ依存性・傾向が見られた。また、積層数Nが奇数の場合(N=2n−1)、積層数Nが偶数の場合と比較して、全てのHに対してフロップ磁界Hsfが大きくなる傾向が見られた。FIG. 13A shows the relationship between the flop magnetic field H sf and the uniaxial anisotropy magnetic field H K with the number N of layers as a parameter. In FIG. 13A, the vertical and horizontal axes show respectively the flop field normalized H sf and uniaxial anisotropic magnetic field H K by the antiferromagnetic coupling field H I. These derivations are performed by calculating the Jacobian of the above formula (4). As shown in FIG. 13A, the laminated number N an even number (N = 2n), regardless somewhat number, the same dependency, tended to flop magnetic field is normalized H sf / H I . Also, if the lamination number N is an odd number (N = 2n-1), the laminated number N as compared with the case of the even number, the flop field H sf tends to increase was observed for all H K.

図13Bは、H=0の場合における、規格化されたフロップ磁界Hsf/Hの積層数Nに対する依存性を示している。図13Bに示されるように、積層数Nが偶数の場合(N=2n)、フロップ磁界Hsfは0である。一方、積層数Nが奇数の場合、フロップ磁界Hsfは有限の値を持ち、積層数Nが増加するに従って減少する。13B is in the case of H K = 0, show a dependence on the number of stacked layers N of the flop field H sf / H I that are standardized. As shown in FIG. 13B, when the number N of layers is an even number (N = 2n), the flop magnetic field H sf is zero. On the other hand, when the number N of layers is an odd number, the flop magnetic field H sf has a finite value and decreases as the number N of layers increases.

これらの結果から次のことが導き出せる。積層数Nが偶数の場合(N=2n)、フロップ磁界Hsfは一定であり、積層数Nが増加するにつれて飽和磁界Hsatは増加する。これは、積層数Nが増加するに従って、動作領域が拡がることを意味する。一方、積層数Nが奇数の場合、積層数Nが増加するにつれて飽和磁界Hsatは増加するが、フロップ磁界HsfもN=2の場合に比べて増加してしまう。すなわち、N=2の場合と比較しても、動作領域はそれほど拡がらない。つまり、動作マージンを拡げるためには、積層数Nが偶数で、且つ4以上である必要がある。動作マージンの増加幅は、積層数Nが2から4に変わる場合に最も大きい。積層数Nが大きくなってくると、動作マージンの増加幅も少なくなってくる。実際の積層数Nは、その動作マージンの増加幅と製造上のばらつき(一軸異方性磁界Hのばらつき、磁性膜20の膜厚のばらつき、反強磁性結合膜30の膜厚のばらつき、形状のばらつき等)を考慮して決定される。The following can be derived from these results. When the number N of layers is an even number (N = 2n), the flop magnetic field H sf is constant, and the saturation magnetic field H sat increases as the number N of layers increases. This means that the operating region is expanded as the number N of stacked layers is increased. On the other hand, when the number of stacked layers N is an odd number, the saturation magnetic field H sat increases as the number of stacked layers N increases, but the flop magnetic field H sf also increases compared to the case where N = 2. In other words, the operation region does not expand so much as compared with the case of N = 2. That is, in order to widen the operation margin, the number N of layers needs to be an even number and 4 or more. The increase width of the operation margin is greatest when the number N of stacked layers is changed from 2 to 4. As the number N of layers increases, the increase margin of the operation margin decreases. Actual number of layers N is variation in increment and manufacturing variations of the operation margin (uniaxial anisotropy field H K, variations in the thickness of the magnetic layer 20, variation in the thickness of the antiferromagnetic coupling film 30, It is determined in consideration of variation in shape).

表1は、H/H=0.2の場合の、規格化されたフロップ磁界Hsf/H、規格化された飽和磁界Hsat/H、及び飽和磁界Hsatで規格化されたフロップ磁界Hsf(norm)(=Hsf/Hsat=(Hsf/H)/(Hsat/H))を示している。ここで、磁性膜20や反強磁性結合膜30の膜厚・材料を調整することによって、各積層数Nに対して飽和磁界Hsatは等しく設定されている(反強磁性結合磁界Hが各積層数Nに対して変わっている)。つまり、この磁界Hsf(norm)は、飽和磁界Hsatが一定の場合の規格化されたフロップ磁界Hsfを意味する。例えば、積層数Nが4の場合、規格化されたフロップ磁界Hsf(norm)は、積層数Nが2の場合の約半分である。積層数Nが更に増加すると、規格化されたフロップ磁界Hsf(norm)は、徐々に減少していく。つまり、一軸異方性磁界Hと飽和磁界Hsatが一定という条件下では、積層数Nが4以上に設定されることによって、書込み電流の値が、N=2の場合の半分以下に減少するということが分かる。すなわち、消費電力が低減される。Table 1 is normalized with the normalized flop magnetic field H sf / H I , the normalized saturation magnetic field H sat / H I , and the saturation magnetic field H sat when H K / H I = 0.2. Flop magnetic field H sf (norm) (= H sf / H sat = (H sf / H I ) / (H sat / H I )). Here, by adjusting the film thickness and material of the magnetic film 20 and the antiferromagnetic coupling film 30, the saturation magnetic field H sat is set equal to the number N of each stack (the antiferromagnetic coupling magnetic field H I is It is different for each stacking number N). That is, the magnetic field H sf (norm) means a normalized flop magnetic field H sf when the saturation magnetic field H sat is constant. For example, when the number N of layers is 4, the standardized flop magnetic field H sf (norm) is about half that when the number N of layers is 2. As the number N of layers increases further, the normalized flop magnetic field H sf (norm) gradually decreases. That is, under the condition that the uniaxial anisotropy magnetic field H K and the saturation magnetic field H sat are constant, by setting the number N of layers to 4 or more, the value of the write current is reduced to less than half that in the case of N = 2. You can see that That is, power consumption is reduced.

Figure 2006062150
Figure 2006062150

以下、更に具体的な例を用いて説明が行われる。   Hereinafter, description will be made using a more specific example.

例1:積層数Nが異なる2種類の磁気抵抗素子が作製され、それらに対するフロップ磁界Hsfと飽和磁界Hsatの評価がなされた。Example 1: Two types of magnetoresistive elements having different numbers of stacked layers N were produced, and flop magnetic field H sf and saturation magnetic field H sat were evaluated for them.

図14は、構造Aを有する第1の磁気抵抗素子を示す概念図である。この磁気抵抗素子は、基板上に順番に積層されたシード層41、反強磁性層42、固定磁性層43、バリア層44、自由磁性層45、及びキャップ層46を備えている。シード層41は、20nmの膜厚を有するTa膜である。反強磁性層42は、20nmの膜厚を有するPtMn膜である。固定磁性層43は、2.5nmの膜厚を有するCoFe膜、0.88nmの膜厚を有するRu膜、及び2.5nmの膜厚を有するCoFe膜から構成されている。バリア層44は、1nmの膜厚を有するAl膜が酸化された膜である。自由磁性層45は、交互に積層された2層の磁性膜と1層の非磁性膜を有する(N=2)。各磁性膜は、4nmの膜厚を有するNiFe膜と0.5nmの膜厚を有するCoFe膜とから構成されている。各非磁性膜(反強磁性結合膜)は、2.1nmの膜厚を有するRu膜である。キャップ層46は、0.7nmの膜厚を有する酸化されたAl膜と100nmの膜厚を有するTa膜から構成されている。   FIG. 14 is a conceptual diagram showing a first magnetoresistive element having the structure A. The magnetoresistive element includes a seed layer 41, an antiferromagnetic layer 42, a pinned magnetic layer 43, a barrier layer 44, a free magnetic layer 45, and a cap layer 46, which are sequentially stacked on a substrate. The seed layer 41 is a Ta film having a thickness of 20 nm. The antiferromagnetic layer 42 is a PtMn film having a thickness of 20 nm. The pinned magnetic layer 43 is composed of a CoFe film having a thickness of 2.5 nm, a Ru film having a thickness of 0.88 nm, and a CoFe film having a thickness of 2.5 nm. The barrier layer 44 is a film obtained by oxidizing an Al film having a thickness of 1 nm. The free magnetic layer 45 has two magnetic films and one nonmagnetic film that are alternately stacked (N = 2). Each magnetic film is composed of a NiFe film having a thickness of 4 nm and a CoFe film having a thickness of 0.5 nm. Each nonmagnetic film (antiferromagnetic coupling film) is a Ru film having a thickness of 2.1 nm. The cap layer 46 is composed of an oxidized Al film having a thickness of 0.7 nm and a Ta film having a thickness of 100 nm.

図15は、構造Bを有する第2の磁気抵抗素子を示す概念図である。この磁気抵抗素子は、基板上に順番に積層されたシード層51、反強磁性層52、固定磁性層53、バリア層54、自由磁性層55、及びキャップ層56を備えている。シード層51、反強磁性層52、固定磁性層53、バリア層54、及びキャップ層56のそれぞれの膜厚・組成は、上述のシード層41、反強磁性層42、固定磁性層43、バリア層44、及びキャップ層46のそれぞれと同じである。自由磁性層55は、交互に積層された4層の磁性膜と3層の非磁性膜を有する(N=4)。各磁性膜は、第1の磁気抵抗素子と同様に、4nmの膜厚を有するNiFe膜と0.5nmの膜厚を有するCoFe膜とから構成されている。各非磁性膜(反強磁性結合膜)は、第1の磁気抵抗素子と同様に、2.1nmの膜厚を有するRu膜である。   FIG. 15 is a conceptual diagram showing a second magnetoresistive element having structure B. FIG. The magnetoresistive element includes a seed layer 51, an antiferromagnetic layer 52, a fixed magnetic layer 53, a barrier layer 54, a free magnetic layer 55, and a cap layer 56, which are sequentially stacked on a substrate. The seed layer 51, the antiferromagnetic layer 52, the pinned magnetic layer 53, the barrier layer 54, and the cap layer 56 have the same film thickness and composition as the seed layer 41, the antiferromagnetic layer 42, the pinned magnetic layer 43, and the barrier, respectively. It is the same as each of the layer 44 and the cap layer 46. The free magnetic layer 55 has four magnetic films and three nonmagnetic films alternately stacked (N = 4). Each magnetic film is composed of a NiFe film having a thickness of 4 nm and a CoFe film having a thickness of 0.5 nm, like the first magnetoresistive element. Each nonmagnetic film (antiferromagnetic coupling film) is a Ru film having a film thickness of 2.1 nm, like the first magnetoresistive element.

図16は、構造A(N=2)及び構造B(N=4)における自由磁性層45、55の磁化特性を示す。図16において、横軸は、磁化容易軸方向(X方向)の磁界Hを示し、縦軸は、飽和磁化Msで規格化された磁化MXを示す。また、表2は、構造A(N=2)及び構造B(N=4)に対応するフロップ磁界Hsfと飽和磁界Hsatを示す。FIG. 16 shows the magnetization characteristics of the free magnetic layers 45 and 55 in the structure A (N = 2) and the structure B (N = 4). In FIG. 16, the horizontal axis indicates the magnetic field H X in the easy magnetization axis direction (X direction), and the vertical axis indicates the magnetization MX normalized by the saturation magnetization Ms. Table 2 shows the flop magnetic field H sf and the saturation magnetic field H sat corresponding to the structure A (N = 2) and the structure B (N = 4).

Figure 2006062150
Figure 2006062150

図16及び表2に示されているように、構造A及び構造Bに対するフロップ磁界Hsfはほとんど同じであった(62〜63Oe)。一方、飽和磁界Hsatに関しては、構造Aと構造Bで大きく変化した。具体的には、構造A(N=2)の場合、飽和磁界Hsatは298[Oe]であったのに対し、構造B(N=4)の場合、飽和磁界Hsatは1180[Oe]であった。つまり、積層数Nが増加することによって、フロップ磁界Hsfはあまり変化しないが、飽和磁界Hsatが大きく増加することがわかった。すなわち、動作領域が拡大したことがわかった。As shown in FIG. 16 and Table 2, the flop magnetic field H sf for structures A and B was almost the same (62-63 Oe). On the other hand, the saturation magnetic field H sat greatly changed between the structure A and the structure B. Specifically, in the case of the structure A (N = 2), the saturation magnetic field H sat was 298 [Oe], whereas in the case of the structure B (N = 4), the saturation magnetic field H sat was 1180 [Oe]. Met. That is, it has been found that, as the number N of layers increases, the flop magnetic field H sf does not change much, but the saturation magnetic field H sat greatly increases. That is, it was found that the operating area was expanded.

例2:自由強磁性層中の磁性膜及び非磁性膜(反強磁性結合膜)の膜厚を調整することによって、第1の磁気抵抗素子の場合とほぼ同じ飽和磁界Hsatを有する第3の磁気抵抗素子が作製された。そして、それらに対するフロップ磁界Hsfの評価がなされた。Example 2: A third magnetic field having a saturation magnetic field H sat substantially the same as that of the first magnetoresistive element by adjusting the film thickness of the magnetic film and the nonmagnetic film (antiferromagnetic coupling film) in the free ferromagnetic layer This magnetoresistive element was fabricated. Then, the flop magnetic field H sf was evaluated for them.

図17は、構造Cを有する第3の磁気抵抗素子を示す概念図である。この磁気抵抗素子は、基板上に順番に積層されたシード層61、反強磁性層62、固定磁性層63、バリア層64、自由磁性層65、及びキャップ層66を備えている。シード層61、反強磁性層62、固定磁性層63、バリア層64、及びキャップ層66のそれぞれの膜厚・組成は、上述のシード層41、反強磁性層42、固定磁性層43、バリア層44、及びキャップ層46のそれぞれと同じである。自由磁性層65は、交互に積層された4層の磁性膜と3層の非磁性膜を有する(N=4)。各磁性膜は、2nmの膜厚を有するNiFe膜と0.3nmの膜厚を有するCoFe膜とから構成されている。各非磁性膜(反強磁性結合膜)は、3.6nmの膜厚を有するRu膜である。このように自由磁性層65を調整することによって、H/Hが一定に保たれたまま、一軸異方性磁界Hが減少した。FIG. 17 is a conceptual diagram showing a third magnetoresistive element having the structure C. The magnetoresistive element includes a seed layer 61, an antiferromagnetic layer 62, a fixed magnetic layer 63, a barrier layer 64, a free magnetic layer 65, and a cap layer 66 that are sequentially stacked on a substrate. The seed layer 61, the antiferromagnetic layer 62, the pinned magnetic layer 63, the barrier layer 64, and the cap layer 66 have the same film thickness and composition as the seed layer 41, the antiferromagnetic layer 42, the pinned magnetic layer 43, the barrier, respectively. It is the same as each of the layer 44 and the cap layer 46. The free magnetic layer 65 has four magnetic films and three nonmagnetic films alternately stacked (N = 4). Each magnetic film is composed of a NiFe film having a thickness of 2 nm and a CoFe film having a thickness of 0.3 nm. Each nonmagnetic film (antiferromagnetic coupling film) is a Ru film having a thickness of 3.6 nm. By adjusting in this way the free magnetic layer 65, while H K / H I is kept constant, the uniaxial anisotropy field H K is reduced.

表3は、構造A(N=2)及び構造C(N=4)に対応するフロップ磁界Hsfと飽和磁界Hsatを示す。構造Cの場合、飽和磁界Hsatは350[Oe]、フロップ磁界Hsfは27[Oe]であった。つまり、構造Aと構造Cでは、飽和磁界Hsatはほぼ同じである。一方、積層数Nが増加することによって、飽和磁界Hsatが一定の場合にフロップ磁界Hsfが減少することがわかった。すなわち、積層数Nを増加させることによって、動作領域を拡大させることが可能となるだけでなく、書込み電流を低減することも可能となる。すなわち、消費電力が削減される。Table 3 shows the flop magnetic field H sf and the saturation magnetic field H sat corresponding to the structure A (N = 2) and the structure C (N = 4). In the case of the structure C, the saturation magnetic field H sat was 350 [Oe], and the flop magnetic field H sf was 27 [Oe]. That is, in the structures A and C, the saturation magnetic field H sat is substantially the same. On the other hand, it was found that when the number N of stacked layers increases, the flop magnetic field H sf decreases when the saturation magnetic field H sat is constant. That is, by increasing the number N of stacked layers, not only can the operating region be expanded, but also the write current can be reduced. That is, power consumption is reduced.

Figure 2006062150
Figure 2006062150

以上に説明されたように、本発明に係るトグル書込み方式のMRAM1は、自由磁性層15が互いに反強磁性結合した2n層(nは2以上の整数)の磁性膜20を有するように構成される。これにより、動作領域が拡大する。また、書込み電流が削減され、消費電力が低減される。   As described above, the toggle write type MRAM 1 according to the present invention is configured to have the magnetic film 20 of the 2n layers (n is an integer of 2 or more) in which the free magnetic layers 15 are antiferromagnetically coupled to each other. The As a result, the operation area is expanded. In addition, the write current is reduced and the power consumption is reduced.

本発明に係るトグル書込み方式のMRAMによれば、動作領域が拡大する。また、本発明に係るトグル書込み方式のMRAMによれば、書込み電流が低減される。   According to the toggle write MRAM according to the present invention, the operation area is expanded. Further, according to the toggle write type MRAM according to the present invention, the write current is reduced.

Claims (10)

トグル書込み方式の磁気ランダムアクセスメモリであって、
自由磁性層と、
固定磁性層と、
前記自由磁性層と前記固定磁性層に挟まれた非磁性層と
を具備し、
前記自由磁性層は、互いに反強磁性結合した2n層(nは2以上の整数)の磁性膜を有する
磁気ランダムアクセスメモリ。
Toggle write magnetic random access memory,
A free magnetic layer;
A fixed magnetic layer;
The free magnetic layer and a nonmagnetic layer sandwiched between the pinned magnetic layers,
The said free magnetic layer has a magnetic film of 2n layers (n is an integer greater than or equal to 2) mutually antiferromagnetically coupled. Magnetic random access memory.
請求の範囲1に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記自由磁性層は、(2n−1)層の非磁性膜を更に有し、
前記2n層の磁性膜と前記(2n−1)層の非磁性膜は、交互に積層されている
磁気ランダムアクセスメモリ。
The magnetic random access memory according to claim 1,
The free magnetic layer further includes (2n-1) nonmagnetic films,
The magnetic random access memory, wherein the 2n magnetic films and the (2n-1) nonmagnetic films are alternately stacked.
請求の範囲2に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記(2n−1)層の非磁性膜の膜厚は略等しい
磁気ランダムアクセスメモリ。
A magnetic random access memory according to claim 2,
The non-magnetic film thickness of the (2n-1) layer is substantially equal. Magnetic random access memory.
請求の範囲2又は3に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記(2n−1)層の非磁性膜の材料は同じである
磁気ランダムアクセスメモリ。
A magnetic random access memory according to claim 2 or 3,
The material of the nonmagnetic film of the (2n-1) layer is the same. Magnetic random access memory.
請求の範囲1乃至4のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記2n層の磁性膜の膜厚は略等しい
磁気ランダムアクセスメモリ。
A magnetic random access memory according to any one of claims 1 to 4,
The magnetic random access memory, wherein the 2n magnetic films have substantially the same thickness.
請求の範囲1乃至5のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記2n層の磁性膜の材料は同じである
磁気ランダムアクセスメモリ。
A magnetic random access memory according to any one of claims 1 to 5,
The material of the magnetic film of the 2n layer is the same. Magnetic random access memory.
ワード線と、
前記ワード線に略直交するビット線と、
前記ワード線と前記ビット線との交点に設けられたメモリセルと
を具備し、
前記メモリセルは、
自由磁性層と、
固定磁性層と、
前記自由磁性層と前記固定磁性層に挟まれた非磁性層と
を具備し、
前記自由磁性層は、互いに反強磁性結合した2n層(nは2以上の整数)の磁性膜を有し、
前記2n層の磁性膜の各々における磁化容易軸が前記ワード線あるいは前記ビット線となす角度は略45度である
磁気ランダムアクセスメモリ。
A word line,
A bit line substantially orthogonal to the word line;
A memory cell provided at an intersection of the word line and the bit line;
The memory cell is
A free magnetic layer;
A fixed magnetic layer;
The free magnetic layer and a nonmagnetic layer sandwiched between the pinned magnetic layers,
The free magnetic layer has 2n layers (n is an integer of 2 or more) magnetic films antiferromagnetically coupled to each other,
The magnetic random access memory, wherein an angle formed by the easy axis of each of the 2n magnetic films and the word line or the bit line is approximately 45 degrees.
請求の範囲7に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記メモリセルへの書込データの書込み動作時、前記メモリセルに格納されている格納データと前記書込データとの比較が行われ、前記格納データと前記書込データが異なる場合のみ、前記書込み動作が実行される
磁気ランダムアクセスメモリ。
A magnetic random access memory according to claim 7,
During the write operation of the write data to the memory cell, the stored data stored in the memory cell and the write data are compared, and the write is performed only when the stored data and the write data are different. Magnetic random access memory where the action is performed.
請求の範囲8に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記メモリセルに対して前記書込み動作が行われる場合、前記ワード線と前記ビット線の一方に、時刻t1から時刻t3までパルスが印加され、
前記ワード線と前記ビット線の他方に、時刻t2から時刻t4までパルスが印加され、
前記時刻t1<前記時刻t2<前記時刻t3<前記時刻t4である
磁気ランダムアクセスメモリ。
A magnetic random access memory according to claim 8,
When the write operation is performed on the memory cell, a pulse is applied to one of the word line and the bit line from time t1 to time t3,
A pulse is applied to the other of the word line and the bit line from time t2 to time t4,
The magnetic random access memory in which the time t1 <the time t2 <the time t3 <the time t4.
自由磁性層と、
固定磁性層と、
前記自由磁性層と前記固定磁性層に挟まれた非磁性層と
を具備し、
前記自由磁性層は、
互いに反強磁性結合した2n層(nは2以上の整数)の磁性膜と、
前記2n層の磁性膜と交互に積層された(2n−1)層の非磁性膜と
を有する
磁気抵抗素子。
A free magnetic layer;
A fixed magnetic layer;
The free magnetic layer and a nonmagnetic layer sandwiched between the pinned magnetic layers,
The free magnetic layer is
A magnetic film of 2n layers (n is an integer of 2 or more) that are antiferromagnetically coupled to each other;
A magnetoresistive element comprising: (2n-1) nonmagnetic films alternately stacked with the 2n magnetic films.
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