메모리 document_id A220517010442

본 발명은, 강자성층의 자화 상태를 정보로서 기억하는 기억층과, 자화의 방향이 고정된 자화 고정층으로 이루어지며, 전류를 흘림으로써 기억층의 자화의 방향을 변화시키는 기억 소자를 구비한 메모리에 관한 것으로, 불휘발 메모리에 적용하기에 적합한 것이다. 정보 통신 기기, 특히 휴대 단말기 등의 개인용 소형 정보 기기의 비약적인 보급에 수반하여, 이것을 구성하는 메모리나 로직 등의 소자에는, 고집적화, 고속화, 저소비 전력화 등, 한층더 고성능화가 요구되고 있다. 특히, 반도체 불휘발성 메모리의 고속화·대용량화는, 가동 부분의 존재 등의 이유에 의해 본질적으로 소형화·고속화·저소비 전력화가 곤란한 자기 하드디스크 등과 상보적인 기술로서, 또한 전원 투입과 동시에 오퍼레이션 시스템을 구동시키는 소위 「인스턴트·온」 등의 새로운 기능의 실현을 향하여, 점점 더 중요하게 되어와 있다. 불휘발성 메모리로서는, 반도체 플래시 메모리나 FeRAM(강유전체 불휘발 메모리) 등이 실용화되어 있고, 한층 더 고성능화에 항해서의 활발한 연구 개발이 행해지고 있다. 최근, 자성체를 이용한 새로운 불휘발 메모리로서, 터널 자기 저항 효과를 이용한 MRAM(Magnetic Random Access Memory)의 개발 진척이 현저하여, 주목을 모으고 있다(예를 들면, 비특허 문헌 1, 비특허 문헌 2 참조). 이 MRAM은, 정보의 기록을 하는 미소한 자기 메모리 소자를 규칙적으로 배치하고, 그 각각에 액세스할 수 있도록, 배선 예를 들면 워드선 및 비트선을 설치한 구조를 갖고 있다. 각각의 자기 메모리 소자는, 정보를 강자성체의 자화의 방향으로서 기록시키는 기억층을 갖고 구성된다. 그리고, 자기 메모리 소자의 구성으로서는, 전술한 기억층과, 터널 절연막(비자성 스페이서막)과, 자화의 방향이 고정된 자화 고정층으로 이루어진, 소위 자기 터널 접합(Magnetic Tunnel Junction: MTJ)을 이용한 구조가 채용되어 있다. 자화 고정층의 자화의 방향은, 예를 들면 반강자성층을 형성함으로써 고정할 수 있다. 이러한 구조에서는, 기억층의 자화의 방향과 자화 고정층의 자화의 방향과의 각도에 따라서, 터널 절연막을 흐르는 터널 전류에 대한 저항값이 변화하는, 소위 터널 자기 저항 효과를 발생하기 때문에, 이 터널 자기 저항 효과를 이용하여, 정보의 기입(기록)을 행할 수 있다. 이 저항값의 크기는, 기억층의 자화의 방향과 자화 고정층의 자화의 방향이 반평행일 때에 최대값을 취하고, 평행일 때에 최소값을 취한다. 이와 같이 구성한 자기 메모리 소자에서, 자기 메모리 소자에의 정보의 기입(기록)은, 워드선 및 비트선의 양방에 전류를 흘림으로써 발생하는 합성 전류 자계에 의해, 자기 메모리 소자의 기억층의 자화의 방향을 제어함으로써 행할 수 있다. 일반적으로는, 이 때의 자화의 방향(자화 상태)의 차이를, 「0」 정보와 「1」 정보에 각각 대응시켜서 기억시킨다. 한편, 기록된 정보의 판독은, 트랜지스터 등의 소자를 이용하여 메모리 셀의 선택을 하여, 자기 메모리 소자의 터널 자기 저항 효과를 이용하여, 기억층의 자화의 방향의 차이를 전압 신호의 차로서 검출함으로써, 기록된 정보를 검지할 수 있다. 이 MRAM을 다른 불휘발 메모리와 비교한 경우, 최대의 특징은, 강자성체로 이루어지는 기억층의 자화의 방향을 반전시킴으로써, 「0」 정보와 「1」 정보를 재기입하기 위해서, 고속이며 또한 거의 무한(003e#1015회)의 재기입이 가능한 것이다. 그러나, MRAM에서는, 기록된 정보를 재기입하기 위해서, 비교적 큰 전류 자계를 발생시킬 필요가 있어, 어드레스 배선에 어느 정도 큰(예를 들면 수 mA 정도) 전류를 흘려야 한다. 그 때문에 소비 전력이 커진다. 또한, MRAM에서는, 기입용의 어드레스 배선과 판독용의 어드레스 배선을 각각 필요로 하기 때문에, 구조적으로 메모리 셀의 미세화가 곤란했다. 또한, 소자의 미세화에 따라서, 어드레스 배선도 가늘게 되어, 충분한 전류를 흘리는 것이 어렵게 되는 문제나, 보자력이 커지기 때문에 필요해지는 전류 자계가 증대하여, 소비 전력이 증가하여 버리는 문제 등이 발생하는 것으로 된다. 따라서, 소자의 미세화가 곤란했다. 따라서, 보다 적은 전류로 자화 반전이 가능한 구성으로서, 스핀 트랜스퍼에 의한 자화 반전을 이용하는 구성의 메모리가 주목받고 있다. 스핀 트랜스퍼에 의한 자화 반전이란, 자성체 내를 통과하여 스핀 편극한 전자를, 다른 자성체에 주입함으로써, 다른 자성체에서 자화 반전을 일으키게 하는 것이다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조). 즉, 자화의 방향이 고정된 자성층(자화 고정층)을 통과한 스핀 편극 전자가, 자화의 방향이 고정되지 않는 다른 자성층(자화 자유층)에 진입할 때에, 이 자성층의 자화에 토크를 부여한다고 하는 현상이다. 그리고, 임의의 임계값 이상의 전류를 흘리면, 자성층(자화 자유층)의 자화의 방향을 반전시킬 수 있다. 예를 들면, 자화 고정층과 자화 자유층을 갖는, 거대 자기 저항 효과 소자(GMR 소자)나 자기 터널 접합 소자(MTJ 소자)에 대하여, 그 막 면에 수직인 방향으로 전류를 흘림으로써, 이것들의 소자 중 적어도 일부의 자성층의 자화의 방향을 반전시킬 수 있다. 이에 의해, 자화 고정층과 자화 자유층(기억층)을 갖는 기억 소자를 구성하여, 기억 소자에 흘리는 전류의 극성을 바꾸는 것에 의해, 기억층의 자화의 방향을 반전시켜, 「0」 정보와 「1」 정보와의 재기입을 행한다. 기록된 정보의 판독은, 자화 고정층과 자화 자유층(기억층) 사이에 터널 절연층을 형성한 구성으로 함으로써, MRAM과 같이 터널 자기 저항 효과를 이용할 수 있다. 그리고, 스핀 트랜스퍼에 의한 자화 반전은, 소자가 미세화되더라도, 전류를 늘리지 않고서 자화 반전을 실현할 수 있는 이점을 갖고 있다. 자화 반전을 위해 기억 소자에 흘리는 전류의 절대값은, 예를 들면 0.1㎛ 정도의 스케일의 기억 소자로 1mA 이하이며, 더구나 기억 소자의 체적에 비례하여 감소하기 때문에, 스케일링 상 유리하다. 더구나, MRAM에서 필요하였던 기록용 워드선이 불필요해지기 때문에, 메모리 셀의 구성이 단순하게 된다고 하는 이점도 있다.