スピン電流注入磁化反転における熱アシスト効果の検証とMRAM記憶セルへの応用

自旋电流注入磁化反转中热辅助效应的验证及其在 MRAM 存储单元中的应用

• 批准号: 17760282
• 负责人: 能崎 幸雄
• 金额: $ 2.24万
• 依托单位: Kyushu University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• 财政年份: 2005
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2005 至 2006
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-17760282/
• 关键词: スピントロニクス; 不揮発性メモリ; スピン注入磁化反転; 磁性ランダムアクセスメモリ; 熱アシスト磁化反転

本年度は、熱アシスト効果を用いたMRAM書き込み方式の高速化を検討するため、高出力パルスYAGレーザを用いた記憶セルの高速加熱、及び熱拡散過程における磁化復元特性を詳しく調べた。記憶セルには、比較的強磁性秩序温度が低く垂直磁化特性を有するアモルフアスTbFe膜を用いた。従来のMRAMでは、基板内配線へのパルス電流印加により書込み磁界を発生させるが、配線のインダクタンス、および浮遊キャパシタにより、1ナノ秒以下の短パルス化が困難である。そこで、このような問題を解決する手段として、温度変化のみでMRAMセルの磁化を反転させる新たな書込み方式を提案し、その基本動作特性を計算機シミュレーションより調べた。以下、本研究で得られた知見を箇条書きにまとめる。●ストロボスコピックな手法を用いて、パルス幅(50-50%)、パルス立ち上がり(10-90%)ともに1ナノ秒のパルスYAGレーザをTb-Feドット(50μm×50μm×20nm)に印加した際の磁化変化を異常ホール効果測定により調べた。その結果、レーザ照射によるMRAMセルの到達温度が高いほど熱拡散時間が長くなることが分かった。今回試作した素子では、レーザ強度の最適化により10ナノ秒オーダの熱アシスト書込みを実現できた。熱アシスト書込みのセル加熱温度は、キュリー温度場程度が最適である。●T_cが低くハードな垂直磁化膜(TbFe)とT_cでソフトな面内磁化膜(CoFe)を交換結合させた複合膜記憶セルについて、セル温度をハード膜のT_c以上にパルス的に上昇させた後の磁化緩和過程を計算機シミュレーションにより調べた。その結果、垂直磁化膜の磁化を複合膜の面内交換等価磁界で歳差運動させることが可能であること、および加熱パルス時間によりハード層の磁化方向をスイッチングできることを見出した。この結果は、外部磁界を用いず、記憶セルの加熱のみによって磁化反転できることを示しており、熱アシスト書き込みの高速化を実現するための新たな手段として期待できる。●困難軸方向のスピンを有するスピン電流を注入することによるプリセッショナル磁化反転に関してマイクロマグネティクス計算を行い、熱アシストによる書込み電流低減効果を定量的に評価した。

This year は, hot ア シ ス ト unseen fruit を with い た MRAM book き 込 み high speed way の を beg す 検 る た め, higher power パ ル ス YAG レ ー ザ を with い た memory セ ル の high-speed heating, the process and heat び company, in the に お け る magnetization recovery features を detailed し く adjustable べ た. Memory セ ル に は, compare strong magnetic order low temperature が く vertical magnetization characteristic を have す る ア モ ル フ ア ス を TbFe membrane with い た. 従 to の MRAM で は, base board wiring へ の パ ル ス current Inca に よ り book 込 み magnetic boundary を 発 raw さ せ る が, wiring の イ ン ダ ク タ ン ス, お よ び planktonic キ ャ パ シ タ に よ り, 1 ナ ノ seconds the following short の パ ル ス change が difficult で あ る. そ こ で, こ の よ う な を solve す る means と し て, temperature variations の み で MRAM セ ル の magnetization を inverse planning さ せ る new た な book 込 み を proposal し, そ の basic motion characteristics を computer シ ミ ュ レ ー シ ョ ン よ り adjustable べ た. The following are the で findings of this study: を entries で にまとめる. Low ス ト ロ ボ ス コ ピ ッ ク な gimmick を with い て, パ ル ス picture (50-50%), パ ル ス stand on ち が り (10-90%) と も に 1 ナ ノ seconds の パ ル ス YAG レ ー ザ を Tb - Fe ド ッ ト (50 mu m x 50 mu m x 20 nm) に Inca し た interstate の magnetization abnormal variations change を ホ ー ル sharper determination of fruit に よ り adjustable べ た. そ の results, レ ー ザ irradiation に よ る MRAM セ ル の reaches a high temperature が い ほ ど scattered が long hot company く な る こ と が points か っ た. Today back to attempt し た element child で は, レ ー ザ strength の optimization に よ り 10 ナ ノ seconds オ ー ダ の hot ア シ ス ト book 込 み を be presently で き た. The most suitable である is the heating temperature of the アシスト book 込み セ セ である and the degree of the キュリ temperature field が. Low low T_c が く ハ ー ド な perpendicular magnetization membrane (TbFe) と T_c で ソ フ ト な in-plane magnetization membrane (CoFe) を exchange さ せ た composite film memory セ ル に つ い て, セ ル temperature を ハ ー ド membrane の T_c above に パ ル ス に rising さ せ た の after magnetization detente process を computer シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に よ り adjustable べ た. そ の results, perpendicular magnetic film の magnetized を composite membrane の in-plane exchange 価 magnetic boundary で differential movement showed さ せ る こ と が may で あ る こ と, お よ び heating パ ル ス time に よ り ハ ー ド layer の magnetization direction を ス イ ッ チ ン グ で き る こ と を shows し た. こ の results は, external magnetic boundary を い ず, memory セ ル の heating の み に よ っ て magnetization reverse planning で き る こ と を shown し て お り, hot ア シ ス ト book き 込 み high speed の を be presently す る た め の new た な means と し て expect で き る. Low difficult axis の ス ピ ン を have す る ス ピ ン を injection current す る こ と に よ る プ リ セ ッ シ ョ ナ ル magnetization reverse planning に masato し て マ イ ク ロ マ グ ネ テ ィ ク ス count を い, hot ア シ ス ト に よ る book 込 み current low cut sharper fruit を quantitative に review 価 し た.

项目成果

Thickness dependence of interlayer fringe field coupling in sub micron NiFe/Cu multilayered pillars

亚微米 NiFe/Cu 多层柱中层间边缘场耦合的厚度依赖性

• 发表时间: 2005
• 期刊: IEEE Transactions on Magnetics 41・10
• 作者: F.Qin et al.;Y.Nozaki et al.;M.Zhang et al.
• 通讯作者: M.Zhang et al.

High sensitive detection of field induced susceptibility modulation with curcuit resonance

电路谐振场感应磁化率调制的高灵敏度检测

• 发表时间: 2007
• 期刊: Journal of Magnetism and Magnetic Materials (in press)
• 作者: T.Isoda;N.Takahara;R.Mori;H.Imanaga;S.Hashizume;R.Imamura;M.Zhang et al.
• 通讯作者: M.Zhang et al.

Numerical simulation of write-operation in MRAM memory cell array with magnetostatic interaction

静磁相互作用 MRAM 存储单元阵列写入操作的数值模拟

• 发表时间: 2005
• 期刊: Journal of Applied Physics 97・10
• 作者: Y.Nozaki et al.

Numerical study for ballistic switching of magnetization in single domain particle triggered by a ferromagnetic resonance within a relaxation time limit.

在弛豫时间限制内由铁磁共振触发的单畴粒子磁化强度弹道切换的数值研究。

• 发表时间: 2006
• 期刊: Journal of Applied Physics 100・5
• 作者: 礒田隆聡;石田靖明;Y.Nozaki et al.
• 通讯作者: Y.Nozaki et al.

Numerical analysis of thermally assited magnetization reversal in rectangular MRAM cells consisted of exchange coupled bilayer.

由交换耦合双层组成的矩形 MRAM 单元热辅助磁化反转的数值分析。

• 发表时间: 2006
• 期刊: Journal of Magnetics Society of Japan 30・6-2
• 作者: T.Isoda;N.Takahara;H.Imanaga;R.Imamura;S.Hasegawa;K.Noguchi;T.Kimura;Y.Nozaki et al.
• 通讯作者: Y.Nozaki et al.