JP2006165059A - Storage element and memory - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a storage memory having satisfactory magnetic characteristic and heat resistance. <P>SOLUTION: The storage medium 3 is configured in such a way that it has a storage layer 17 holding information by a magnetic state of a magnetic body, a magnetized fixed layer 31 is provided via an insulating layer 16 being a tunnel barrier for this storage layer 17, and the storage layer 17 contacts a base layer or an upper protective layer 19 via an oxide layer 18. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、強磁性層の磁化状態を情報として記憶する記憶層と、磁化の向きが固定された磁化固定層とから成り、電流を流すことにより記憶層の磁化の向きを変化させる記憶素子及びこの記憶素子を備えたメモリに係わり、不揮発メモリに適用して好適なものである。   The present invention includes a storage layer that stores the magnetization state of a ferromagnetic layer as information, and a magnetization fixed layer whose magnetization direction is fixed, and a storage element that changes the magnetization direction of the storage layer by passing an electric current. The present invention relates to a memory provided with this memory element, and is suitable for application to a nonvolatile memory.

情報通信機器、特に携帯端末等の個人用小型機器の飛躍的な普及に伴い、これを構成するメモリやロジック等の素子に対して、高集積化、高速化、低電力化等、一層の高性能化が要請されている。
特に、不揮発性メモリは、ハードディスクや光ディスクのように可動部分が存在しないので、本質的に小型化を図る上で有利である特徴を有している。
With the rapid spread of information communication devices, especially small personal devices such as portable terminals, the elements such as memory and logic that compose this device are becoming more highly integrated, faster, lower power, etc. There is a demand for higher performance.
In particular, the non-volatile memory has a feature that is essentially advantageous for miniaturization because there is no moving part like a hard disk or an optical disk.

不揮発性メモリとしては、半導体を用いたフラッシュメモリや、強誘電体を用いたFRAM(Ferro electric Random Access Memory )等が挙げられる。
しかしながら、フラッシュメモリは、書き込み速度がμ秒のオーダーと遅いため、高速なアクセスに向かないという欠点がある。
一方、FRAMにおいては、書き換え可能回数が1012〜1014と有限であるため、完全にSRAMやDRAMを置き換えるには耐久性が小さく、また強誘電体キャパシタの微細加工が難しいという問題が指摘されている。
Examples of the nonvolatile memory include a flash memory using a semiconductor and an FRAM (Ferro electric Random Access Memory) using a ferroelectric.
However, the flash memory has a drawback in that it is not suitable for high-speed access because the writing speed is as low as the order of microseconds.
On the other hand, the FRAM has a limited number of rewritable times of 10 12 to 10 14, and therefore, it is pointed out that the durability is small to completely replace the SRAM and DRAM, and that fine processing of the ferroelectric capacitor is difficult. ing.

これらの欠点がない不揮発性メモリとして注目されているのが、磁性体の磁化で情報を記録する磁気ランダム・アクセス・メモリ(MRAM)である(例えば、非特許文献1参照)。
このMRAMは、磁気モーメントの回転により記憶を行うため、書き換え可能回数が大きい。
また、アクセス時間についても非常に高速である。
A magnetic random access memory (MRAM) that records information by magnetization of a magnetic material is attracting attention as a nonvolatile memory that does not have these drawbacks (see, for example, Non-Patent Document 1).
Since this MRAM stores data by rotating the magnetic moment, the number of rewrites is large.
Also, the access time is very high.

ここで、一般的なMRAMの模式図(斜視図)を、図7に示す。
シリコン基板等の半導体基体110の素子分離層102により分離された部分に、各メモリセルを選択するための選択用トランジスタを構成する、ドレイン領域108、ソース領域107、並びにゲート電極101が、それぞれ形成されている。
また、ゲート電極101の上方には、図中前後方向に延びるワード線105が設けられている。
ドレイン領域108は、図中左右の選択用トランジスタに共通して形成されており、このドレイン領域108には、配線109が接続されている。
そして、ワード線105と、上方に配置された、図中左右方向に延びるビット線106との間に、磁化の向きが反転する記憶層を有する磁気記憶素子103が配置されている。この磁気記憶素子103は、例えば磁気トンネル接合素子(MTJ素子)により構成される。
さらに、磁気記憶素子103は、水平方向のバイパス線111及び上下方向のコンタクト層104を介して、ソース領域107に電気的に接続されている。
ワード線105及びビット線106にそれぞれ電流を流すことにより、電流磁界を磁気記憶素子103に印加して、これにより磁気記憶素子103の記憶層の磁化の向きを反転させて、情報の記録を行うことができる。
Here, a schematic diagram (perspective view) of a general MRAM is shown in FIG.
A drain region 108, a source region 107, and a gate electrode 101 constituting a selection transistor for selecting each memory cell are formed in a portion separated by the element isolation layer 102 of the semiconductor substrate 110 such as a silicon substrate. Has been.
A word line 105 extending in the front-rear direction in the figure is provided above the gate electrode 101.
The drain region 108 is formed in common to the left and right selection transistors in the drawing, and a wiring 109 is connected to the drain region 108.
A magnetic storage element 103 having a storage layer whose magnetization direction is reversed is disposed between the word line 105 and the bit line 106 disposed above and extending in the horizontal direction in the drawing. The magnetic memory element 103 is composed of, for example, a magnetic tunnel junction element (MTJ element).
Further, the magnetic memory element 103 is electrically connected to the source region 107 via the horizontal bypass line 111 and the vertical contact layer 104.
By applying current to each of the word line 105 and the bit line 106, a current magnetic field is applied to the magnetic memory element 103, thereby reversing the magnetization direction of the memory layer of the magnetic memory element 103 and recording information. be able to.

そして、MRAM等の磁気メモリにおいて、記録した情報を安定に保持するためには、情報を記録する磁性層(記憶層)が、一定の保磁力を有していることが必要である。
一方、記録された情報を書き換えるためには、アドレス配線にある程度の電流を流さなければならない。
ところが、MRAMを構成する素子の微細化に従い、アドレス配線も細くなるため、充分な電流が流せなくなってくる。
In order to stably hold recorded information in a magnetic memory such as MRAM, it is necessary that a magnetic layer (storage layer) for recording information has a certain coercive force.
On the other hand, in order to rewrite the recorded information, a certain amount of current must be passed through the address wiring.
However, as the elements constituting the MRAM become finer, the address wiring becomes thinner, so that a sufficient current cannot flow.

そこで、より少ない電流で磁化反転が可能な構成として、スピン注入による磁化反転を利用する構成の磁気メモリが注目されている(例えば、特許文献1参照)。
スピン注入による磁化反転とは、磁性体の中を通過してスピン偏極した電子を、他の磁性体に注入することにより、他の磁性体において磁化反転を起こさせるものである。
Therefore, attention has been paid to a magnetic memory having a configuration using magnetization reversal by spin injection as a configuration capable of reversing magnetization with a smaller current (see, for example, Patent Document 1).
Magnetization reversal by spin injection is to cause magnetization reversal in another magnetic material by injecting spin-polarized electrons that have passed through the magnetic material into another magnetic material.

例えば、巨大磁気抵抗効果素子(GMR素子)や磁気トンネル接合素子(MTJ素子)に対して、その膜面に垂直な方向に電流を流すことにより、これらの素子の少なくとも一部の磁性層の磁化の向きを反転させることができる。   For example, when a current is passed through a giant magnetoresistive element (GMR element) or a magnetic tunnel junction element (MTJ element) in a direction perpendicular to the film surface, magnetization of at least a part of the magnetic layer of these elements is performed. Can be reversed.

そして、スピン注入による磁化反転は、素子が微細化されても、少ない電流で磁化反転を実現することができる利点を有している。   Magnetization reversal by spin injection has an advantage that magnetization reversal can be realized with a small current even if the element is miniaturized.

また、上述したスピン注入による磁化反転を利用する構成の磁気メモリの模式図を図5及び図6に示す。図5は斜視図、図6は断面図である。
シリコン基板等の半導体基体60の素子分離層52により分離された部分に、各メモリセルを選択するための選択用トランジスタを構成する、ドレイン領域58、ソース領域57、並びにゲート電極51が、それぞれ形成されている。このうち、ゲート電極51は、図5中前後方向に延びるワード線を兼ねている。
ドレイン領域58は、図5中左右の選択用トランジスタに共通して形成されており、このドレイン領域58には、配線59が接続されている。
そして、ソース領域57と、上方に配置された、図5中左右方向に延びるビット線56との間に、スピン注入により磁化の向きが反転する記憶層を有する記憶素子53が配置されている。
この記憶素子53は、例えば磁気トンネル接合素子(MTJ素子)により構成される。
図中61及び62は磁性層を示しており、2層の磁性層61,62のうち、一方の磁性層を磁化の向きが固定された磁化固定層として、他方の磁性層を磁化の向きが変化する磁化自由層即ち記憶層とする。
また、記憶素子53は、ビット線56と、ソース領域57とに、それぞれ上下のコンタクト層54を介して接続されている。これにより、磁気記憶素子53に電流を流して、スピン注入により記憶層の磁化の向きを反転させることができる。
Moreover, the schematic diagram of the magnetic memory of the structure using the magnetization reversal by the spin injection mentioned above is shown in FIG.5 and FIG.6. 5 is a perspective view, and FIG. 6 is a cross-sectional view.
A drain region 58, a source region 57, and a gate electrode 51 constituting a selection transistor for selecting each memory cell are formed in a portion separated by the element isolation layer 52 of the semiconductor substrate 60 such as a silicon substrate. Has been. Of these, the gate electrode 51 also serves as a word line extending in the front-rear direction in FIG.
The drain region 58 is formed in common with the left and right selection transistors in FIG. 5, and a wiring 59 is connected to the drain region 58.
A storage element 53 having a storage layer whose magnetization direction is reversed by spin injection is disposed between the source region 57 and the bit line 56 disposed above and extending in the left-right direction in FIG.
The storage element 53 is configured by, for example, a magnetic tunnel junction element (MTJ element).
In the figure, reference numerals 61 and 62 denote magnetic layers. Of the two magnetic layers 61 and 62, one magnetic layer is a magnetization fixed layer whose magnetization direction is fixed, and the other magnetic layer is a magnetization direction. A changing magnetization free layer, that is, a storage layer is used.
The storage element 53 is connected to the bit line 56 and the source region 57 via the upper and lower contact layers 54, respectively. As a result, a current can be passed through the magnetic memory element 53 to reverse the magnetization direction of the memory layer by spin injection.

このようなスピン注入による磁化反転を利用する構成のメモリの場合、図7に示した一般的なMRAMと比較して、デバイス構造を単純化することができるため、大容量化に適している、という特徴も有している。
また、スピン注入による磁化反転を利用することにより、外部磁界により磁化反転を行う一般的なMRAMと比較して、素子の微細化が進んでも、書き込みの電流が増大しないという利点がある。
In the case of a memory having a configuration using magnetization reversal by spin injection, the device structure can be simplified as compared with the general MRAM shown in FIG. It also has the feature.
Further, by utilizing magnetization reversal by spin injection, there is an advantage that the write current does not increase even when the element is miniaturized as compared with a general MRAM in which magnetization reversal is performed by an external magnetic field.

日経エレクトロニクス 2001.2.12号(第164頁−171頁)Nikkei Electronics 2001.1.22 (pages 164-171) 特開2003−17782号公報JP 2003-17782 A

ところで、MRAMを構成する記憶素子は、CoFeやCoFeB等の磁性材料から成る記憶層と、CoFe等の磁性材料から成る強磁性層を有する磁化固定層と、PtMn,IrMn等の反強磁性材料から成る反強磁性層と、Ta,Tiやそれらの窒化物、或いはCr,Cu,NiFe,NiFeCr等から成る下地層とを有して構成される。
磁化固定層を、複数層の強磁性層が非磁性層を介して積層された積層フェリ構造とする場合には、Ru,Rh等の非磁性金属元素を主体とする非磁性層が設けられる。
By the way, the memory element constituting the MRAM is composed of a memory layer made of a magnetic material such as CoFe and CoFeB, a magnetization fixed layer having a ferromagnetic layer made of a magnetic material such as CoFe, and an antiferromagnetic material such as PtMn and IrMn. And an underlayer composed of Ta, Ti, nitrides thereof, Cr, Cu, NiFe, NiFeCr, or the like.
When the magnetization fixed layer has a laminated ferrimagnetic structure in which a plurality of ferromagnetic layers are laminated via a nonmagnetic layer, a nonmagnetic layer mainly composed of a nonmagnetic metal element such as Ru or Rh is provided.

しかしながら、これらの材料を使用して記憶素子を構成した場合に、半導体プロセスで要求される350℃以上の熱がかかると、抵抗変化率や記憶層の軟磁気特性が失われて、記憶素子として必要な特性が劣化してしまうことがあった。   However, when a memory element is configured using these materials, if the heat of 350 ° C. or more required in the semiconductor process is applied, the resistance change rate and the soft magnetic characteristics of the memory layer are lost, and the memory element Necessary characteristics may be deteriorated.

上述した問題の解決のために、本発明においては、350℃以上の熱が加わっても記憶素子として必要な特性が損なわれることがなく、良好な磁気特性及び耐熱性を有する記憶素子、並びにこの記憶素子を有するメモリを提供するものである。   In order to solve the above-described problems, in the present invention, even when heat of 350 ° C. or higher is applied, characteristics necessary as a memory element are not impaired, and a memory element having good magnetic characteristics and heat resistance, and A memory having a memory element is provided.

本発明の記憶素子は、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有し、この記憶層に対して、トンネルバリアとなる絶縁層を介して磁化固定層が設けられ、記憶層は、酸化物層を介して、下地層或いは上層の保護層に接しているものである。   The storage element of the present invention has a storage layer that holds information according to the magnetization state of a magnetic material, and a magnetization fixed layer is provided to the storage layer via an insulating layer that serves as a tunnel barrier. It is in contact with the underlayer or the upper protective layer through the oxide layer.

本発明のメモリは、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有する記憶素子と、互いに交差する2種類の配線とを備え、記憶素子は、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有し、この記憶層に対して、トンネルバリアとなる絶縁層を介して磁化固定層が設けられ、記憶層が、酸化物層を介して、下地層或いは上層の保護層に接している構成であり、2種類の配線の交点付近かつ2種類の配線の間に、記憶素子が配置されているものである。   The memory of the present invention includes a storage element having a storage layer that holds information according to the magnetization state of the magnetic material, and two types of wirings that intersect each other, and the storage element stores information according to the magnetization state of the magnetic material. A magnetic pinned layer is provided on the storage layer via an insulating layer serving as a tunnel barrier, and the storage layer is in contact with the underlayer or the upper protective layer via the oxide layer. The storage element is arranged near the intersection of two types of wiring and between the two types of wiring.

上述の本発明の記憶素子の構成によれば、記憶層が、酸化物層を介して下地層或いは上層の保護層に接していることにより、記憶層と下地層或いは上層の保護層との間の元素の拡散を、酸化物層によって抑制することができる。
これにより、記憶素子に熱が加わったときの、上述の元素の拡散による特性の劣化を抑制することができる。
According to the above configuration of the memory element of the present invention, the memory layer is in contact with the base layer or the upper protective layer via the oxide layer, so that the memory layer and the base layer or the upper protective layer are interposed. The diffusion of these elements can be suppressed by the oxide layer.
Thereby, deterioration of characteristics due to diffusion of the above-described element when heat is applied to the memory element can be suppressed.

上述の本発明のメモリの構成によれば、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有する記憶素子と、互いに交差する2種類の配線とを備え、記憶素子が上記本発明の記憶素子の構成であり、2種類の配線の交点付近かつ2種類の配線の間に記憶素子が配置されているものであることにより、記憶素子に熱が加わったときの記憶素子の特性の劣化を抑制することができるため、メモリにおいて、情報の記録や読み出しを安定して行うことができる。   According to the configuration of the memory of the present invention described above, a memory element having a memory layer that holds information according to the magnetization state of the magnetic material and two kinds of wirings intersecting each other are provided, and the memory element is the memory element of the present invention. The storage element is arranged near the intersection of two types of wiring and between the two types of wiring, thereby suppressing deterioration of the characteristics of the storage element when heat is applied to the storage element Therefore, it is possible to stably record and read information in the memory.

上記本発明の記憶素子において、記憶層がCoFeBから成る構成とすることも可能である。
このような構成としたときには、CoFeBを用いることにより、飽和磁化量を少なくして、かつ抵抗変化率を大きくすることができる。
そして、CoFeB中のボロンBは、熱が加わることにより拡散しやすい性質を有するため、本発明の酸化物層による拡散防止効果が特に有効である。
In the memory element of the present invention, the memory layer can be made of CoFeB.
In such a configuration, the amount of saturation magnetization can be reduced and the resistance change rate can be increased by using CoFeB.
And since boron B in CoFeB has the property of easily diffusing when heat is applied, the effect of preventing diffusion by the oxide layer of the present invention is particularly effective.

上記本発明の記憶素子において、磁化固定層において、記憶層とは反対の側に反強磁性層が設けられ、反強磁性層に接する強磁性層がCoFe層であり、かつCoFe層のFe含有量が10原子%以下である構成とすることも可能である。
このような構成としたときには、記憶層とは反対の側に反強磁性層が設けられたことにより、反強磁性層により磁化固定層の強磁性層の磁化の向きが固定される。そして、磁化固定層の反強磁性層に接する強磁性層がCoFe層であり、かつCoFe層のFe含有量が10原子%以下であることにより、高温の熱処理を行っても強磁性層が劣化しにくくなる。ここで、反強磁性層に接する強磁性層を例えばCoFeB層とすると、おそらくは反強磁性層との結晶配向が充分に得られない等の理由により、CoFe層と比較して、反強磁性結合強度が弱くなる。従って、反強磁性層に接する強磁性層をCoFe層とすることが好ましい。
In the memory element of the present invention, in the fixed magnetization layer, an antiferromagnetic layer is provided on the side opposite to the memory layer, the ferromagnetic layer in contact with the antiferromagnetic layer is a CoFe layer, and the Fe content of the CoFe layer A configuration in which the amount is 10 atomic% or less is also possible.
In such a configuration, since the antiferromagnetic layer is provided on the side opposite to the storage layer, the magnetization direction of the ferromagnetic layer of the magnetization fixed layer is fixed by the antiferromagnetic layer. The ferromagnetic layer in contact with the antiferromagnetic layer of the magnetization fixed layer is a CoFe layer, and the Fe content of the CoFe layer is 10 atomic% or less, so that the ferromagnetic layer is deteriorated even when heat treatment is performed at a high temperature. It becomes difficult to do. Here, if the ferromagnetic layer in contact with the antiferromagnetic layer is, for example, a CoFeB layer, the antiferromagnetic coupling may be smaller than that of the CoFe layer, possibly because of insufficient crystal orientation with the antiferromagnetic layer. The strength is weakened. Therefore, the ferromagnetic layer in contact with the antiferromagnetic layer is preferably a CoFe layer.

上記本発明の記憶素子において、磁化固定層の絶縁層に接する強磁性層がCoFeB層である構成とすることも可能である。
このような構成としたときには、CoFeB層がCoFe層等と比較して、スピン分極率が大きく、スピン注入効率が高いため、記憶層の磁化の向きを反転させるために必要な電流量を低減することが可能になる。
さらに、この絶縁層に接する強磁性層のCoFeB層において、Fe含有量が20原子%以上であり、B含有量が10〜30原子%である構成としたときには、抵抗変化率を大きくすることができると共に、充分な耐熱性を確保することができる。
In the memory element of the present invention, the ferromagnetic layer in contact with the insulating layer of the magnetization fixed layer may be a CoFeB layer.
In such a configuration, the CoFeB layer has a higher spin polarizability and higher spin injection efficiency than the CoFe layer and the like, so that the amount of current required to reverse the magnetization direction of the storage layer is reduced. It becomes possible.
Further, in the CoFeB layer of the ferromagnetic layer in contact with the insulating layer, when the Fe content is 20 atomic% or more and the B content is 10 to 30 atomic%, the resistance change rate can be increased. In addition, sufficient heat resistance can be ensured.

上記本発明の記憶素子において、積層方向に電流を流すことにより、前記記憶層の磁化の向きが変化して、前記記憶層に対して情報の記録が行われる構成とすることも可能である。
このような構成としたときには、積層方向に電流を流すことにより、記憶層の磁化の向きが変化して、記憶層に対して情報の記録が行われるので、積層方向に電流を流してスピン注入による情報の記録を行うことができる。
In the memory element of the present invention, it is also possible to adopt a configuration in which information is recorded on the memory layer by changing the magnetization direction of the memory layer by passing a current in the stacking direction.
In such a configuration, by flowing current in the stacking direction, the magnetization direction of the storage layer changes, and information is recorded on the storage layer. The information can be recorded.

上記本発明の記憶素子において、複数層の強磁性層が非磁性層を介して積層された構造を有し、かつ非磁性層の下に接する強磁性層がCoFe層である構成とすることも可能である。
このような構成としたときには、複数層の強磁性層が非磁性層を介して積層された構造即ちいわゆる積層フェリ構造を有しており、さらに非磁性層の下に接する強磁性層がCoFe層であることにより、積層フェリ構造において充分な反強磁性結合が得られる。
The memory element of the present invention may have a structure in which a plurality of ferromagnetic layers are laminated via a nonmagnetic layer, and the ferromagnetic layer in contact with the nonmagnetic layer is a CoFe layer. Is possible.
In such a configuration, a plurality of ferromagnetic layers are laminated with a nonmagnetic layer, that is, a so-called laminated ferrimagnetic structure, and the ferromagnetic layer in contact with the nonmagnetic layer is a CoFe layer. Thus, sufficient antiferromagnetic coupling can be obtained in the laminated ferrimagnetic structure.

上記本発明のメモリにおいて、記憶素子が、積層方向に電流を流すことにより、記憶層の磁化の向きが変化して、記憶層に対して情報の記録が行われる構成であり、2種類の配線を通じて、記憶素子に前記積層方向の電流が流れる構成とすることも可能である。
このような構成としたときには、記憶素子の積層方向に電流を流してスピン注入による情報の記録を行うことができ、2種類の配線を通じて記憶素子の積層方向に電流を流してスピン注入による情報の記録を行うことができる。
In the memory of the present invention, the storage element has a configuration in which the direction of magnetization of the storage layer is changed by passing a current in the stacking direction, and information is recorded on the storage layer. In addition, a current flowing in the stacking direction may flow through the memory element.
In such a configuration, information can be recorded by spin injection by flowing a current in the stacking direction of the storage element, and information can be recorded by spin injection by flowing a current in the stacking direction of the storage element through two kinds of wirings. Recording can be performed.

上述の本発明によれば、記憶素子に熱が加わったときの記憶素子の特性の劣化を抑制することができるため、メモリにおいて、情報の記録や読み出しを安定して行うことができる。例えば、半導体プロセスで必要とされる350℃以上の高温でも特性劣化が少ない記憶素子を構成することができる。
これにより、耐熱性を有し、信頼性の高いメモリを実現することができる。
According to the above-described present invention, it is possible to suppress the deterioration of the characteristics of the memory element when heat is applied to the memory element. Therefore, it is possible to stably record and read information in the memory. For example, a memory element with little characteristic deterioration can be formed even at a high temperature of 350 ° C. or higher required for a semiconductor process.
As a result, a memory having heat resistance and high reliability can be realized.

そして、特に、MgO等の比較的高い熱処理温度を要求される層を記憶素子の膜構成中に用いた場合においては、熱処理によって抵抗変化率をさらに上昇させて、なおかつ磁気特性の劣化を抑制することができる。   In particular, when a layer that requires a relatively high heat treatment temperature, such as MgO, is used in the film structure of the memory element, the rate of change in resistance is further increased by the heat treatment, and deterioration of magnetic properties is suppressed. be able to.

本発明の具体的な実施の形態の説明に先立ち、本発明の概要について説明する。
前述した熱による磁気抵抗変化率の劣化の課題に対して、種々の検討を行った結果、記憶素子に熱を加えたときに、下地層や保護層に用いられる例えばTa等の材料が記憶層に拡散することにより、また特に記憶層にCoFeBを用いた場合には、B原子が拡散することにより、記憶素子を構成する磁気トンネル接合素子(MTJ素子)の磁気抵抗変化率が劣化することがわかった。
Prior to the description of specific embodiments of the present invention, an outline of the present invention will be described.
As a result of various investigations on the above-described problem of deterioration of the magnetoresistance change rate due to heat, when heat is applied to the memory element, a material such as Ta used for the underlayer or protective layer is the memory layer. In particular, when CoFeB is used for the memory layer, the diffusion rate of B atoms may degrade the magnetoresistance change rate of the magnetic tunnel junction element (MTJ element) constituting the memory element. all right.

そこで、本発明では、記憶層が、酸化物層を介して、(下層の)下地層或いは上層の保護層に接しているように記憶素子を構成する。
即ち、本発明に係る記憶素子は、基本的に、基板側(下層側)から、下地層/反強磁性層/磁化固定層/トンネルバリア層(絶縁層)/記憶層/酸化物層/保護層(キャップ層)の積層膜、或いは、下地層/酸化物層/記憶層/トンネルバリア層(絶縁層)/磁化固定層/保護層(キャップ層)の積層膜、のいずれかの積層膜から構成する。
なお、磁化固定層は、複数層の強磁性層が非磁性層を介して積層された、いわゆる積層フェリ構造としてもよい。
酸化物層の材料としては、例えば、酸化アルミニウムや酸化マグネシウムや、その他の酸化物を用いることができる。
Therefore, in the present invention, the memory element is configured such that the memory layer is in contact with the (lower) underlying layer or the upper protective layer via the oxide layer.
In other words, the memory element according to the present invention basically includes, from the substrate side (lower layer side), the underlayer / antiferromagnetic layer / magnetization fixed layer / tunnel barrier layer (insulating layer) / memory layer / oxide layer / protection. From a laminated film of a layer (cap layer) or a laminated film of an underlayer / oxide layer / memory layer / tunnel barrier layer (insulating layer) / magnetization pinned layer / protective layer (cap layer) Constitute.
The fixed magnetization layer may have a so-called laminated ferrimagnetic structure in which a plurality of ferromagnetic layers are laminated via a nonmagnetic layer.
As the material of the oxide layer, for example, aluminum oxide, magnesium oxide, or other oxides can be used.

このように記憶層が、酸化物層を介して、(下層の)下地層或いは上層の保護層に接している構成とすることにより、熱が加わったときの、記憶層から下地層或いは上層の保護層への元素の拡散や、下地層或いは上層の保護層から記憶層への元素の拡散を、酸化物層により抑制することができる。
これにより、熱が加わったときの、磁気抵抗変化率の劣化を抑制することができるため、良好な特性と耐熱性とを有する記憶素子を構成することができる。
In this manner, the storage layer is in contact with the (underlying) underlayer or the upper protective layer via the oxide layer, so that when the heat is applied, the storage layer is changed from the underlayer or the upper layer. The diffusion of elements into the protective layer and the diffusion of elements from the base layer or the upper protective layer into the memory layer can be suppressed by the oxide layer.
Thereby, since deterioration of the magnetoresistance change rate when heat is applied can be suppressed, a memory element having good characteristics and heat resistance can be configured.

トンネルバリア層(絶縁層)の材料としては、酸化物や窒化物を用いることができる。
例えば、アルミニウム酸化物、アルミニウム窒化物、マグネシウム酸化物等を挙げることができ、主にこれらの酸化物や窒化物から成る絶縁層を構成する。
アルミニウム酸化物は、例えば、金属Al層を形成した後に、Al層を酸化することにより形成することができる。
アルミニウム窒化物は、例えば、金属Al層を形成した後に、Al層を窒化することにより形成することができる。
マグネシウム酸化物は、例えば、RFスパッタ法により、直接酸化物を堆積させることにより形成することができる。
As a material of the tunnel barrier layer (insulating layer), an oxide or a nitride can be used.
For example, aluminum oxide, aluminum nitride, magnesium oxide and the like can be mentioned, and an insulating layer mainly composed of these oxides and nitrides is formed.
The aluminum oxide can be formed, for example, by forming a metal Al layer and then oxidizing the Al layer.
The aluminum nitride can be formed, for example, by forming a metal Al layer and then nitriding the Al layer.
Magnesium oxide can be formed by directly depositing an oxide by, for example, RF sputtering.

また、記憶素子を構成する他の各層の材料としては、例えば、以下の材料が挙げられる。
反強磁性層として用いられる材料としては、鉄,ニッケル,白金,イリジウム,ロジウム等のマンガン合金、コバルトやニッケル酸化物等が使用できる。
非磁性層として用いられる材料としては、ルテニウム、銅、クロム、金、銀等が使用できる。膜厚は材料によって変動するが、ほぼ0.4nm〜2.5nmの範囲で使用する。
磁化固定層を構成する強磁性層の材料としては、Co−Fe系強磁性材料やそれにボロンBが15〜30原子%添加されたアモルファス材料や、Co,Fe,Niの合金から成る強磁性材料を用いることができる。
Moreover, as a material of each other layer which comprises a memory element, the following materials are mentioned, for example.
As materials used for the antiferromagnetic layer, manganese alloys such as iron, nickel, platinum, iridium, and rhodium, cobalt, nickel oxide, and the like can be used.
As a material used for the nonmagnetic layer, ruthenium, copper, chromium, gold, silver or the like can be used. Although the film thickness varies depending on the material, it is used in the range of about 0.4 nm to 2.5 nm.
As a material of the ferromagnetic layer constituting the magnetization fixed layer, a Co—Fe based ferromagnetic material, an amorphous material in which boron B is added to 15 to 30 atomic%, or a ferromagnetic material made of an alloy of Co, Fe, and Ni. Can be used.

磁化固定層を構成する強磁性層のうち、トンネルバリア層(絶縁層)に接する強磁性層は、CoFeB層とすることが望ましい。これは、CoFeB層がCoFe層等と比較して、スピン分極率が大きく、スピン注入効率が高いため、記憶層の磁化の向きを反転させるために必要な電流量を低減することが可能になるためである。
さらに、このCoFeB層において、Fe含有量が20原子%以上であり、B含有量が10〜30原子%である構成とすることにより、抵抗変化率を大きくすることができると共に、充分な耐熱性を確保することができる。
Of the ferromagnetic layers constituting the magnetization fixed layer, the ferromagnetic layer in contact with the tunnel barrier layer (insulating layer) is preferably a CoFeB layer. This is because the CoFeB layer has a higher spin polarizability and higher spin injection efficiency than the CoFe layer and the like, so that it is possible to reduce the amount of current required to reverse the magnetization direction of the storage layer. Because.
Furthermore, in this CoFeB layer, the Fe content is 20 atomic% or more and the B content is 10 to 30 atomic%, so that the rate of resistance change can be increased and sufficient heat resistance can be achieved. Can be secured.

そして、磁化固定層を構成する強磁性層のうち、特に、反強磁性層(例えばPtMn膜)に接する強磁性層には、CoもしくはCo−Fe強磁性材料を用いて、そのFe含有量を0〜20%とするのがよい。Fe含有量が20%を超えて多くなり過ぎると、高温の熱処理によって劣化しやすくなる。   Of the ferromagnetic layers constituting the magnetization fixed layer, in particular, the ferromagnetic layer in contact with the antiferromagnetic layer (eg, PtMn film) is made of Co or Co—Fe ferromagnetic material, and its Fe content is reduced. It should be 0 to 20%. If the Fe content exceeds 20% and becomes too large, it tends to deteriorate due to high-temperature heat treatment.

また、複数層の強磁性層が非磁性層を介して積層された、いわゆる積層フェリ構造において、非磁性層(例えばRu膜)の下側に接する強磁性層も、CoFeB/Ru/CoFeBの積層膜で積層フェリ構造を構成した場合には、反強磁性結合が充分に得られなくなることから、CoFeB層よりもCoFe層が望ましい。   In a so-called laminated ferrimagnetic structure in which a plurality of ferromagnetic layers are laminated via a nonmagnetic layer, the ferromagnetic layer in contact with the lower side of the nonmagnetic layer (for example, Ru film) is also a CoFeB / Ru / CoFeB laminated layer. When a laminated ferrimagnetic structure is formed with a film, a sufficient antiferromagnetic coupling cannot be obtained, so a CoFe layer is preferable to a CoFeB layer.

これらのことから、例えば、トンネルバリア層と接する側をCoFeB層として、反強磁性層や積層フェリ構造の非磁性層と接する側はCoFe層というように、CoFeB/CoFeの積層膜とすることもできる。   Therefore, for example, a CoFeB / CoFe laminated film may be used, such as a CoFeB layer on the side in contact with the tunnel barrier layer and a CoFe layer on the side in contact with the nonmagnetic layer of the laminated ferrimagnetic structure. it can.

記憶層に用いる強磁性材料としては、Co,Fe,Niを主成分とする強磁性材料を用いることができるが、飽和磁化量が少なくでき、なおかつ抵抗変化率が大きいことからCoFeB材料が望ましく、さらに望ましくは、ボロンBの含有量が15〜30%であり、かつCoとFeとの組成比がCo:Fe=9:1〜5:5であることが好ましい。
これにより、飽和磁化量を低減し、なおかつ、大きな抵抗変化率を得ることができる。
As the ferromagnetic material used for the memory layer, a ferromagnetic material mainly composed of Co, Fe, and Ni can be used, but a CoFeB material is desirable because the amount of saturation magnetization can be reduced and the rate of resistance change is large. More desirably, the content of boron B is 15 to 30%, and the composition ratio of Co and Fe is preferably Co: Fe = 9: 1 to 5: 5.
Thereby, the amount of saturation magnetization can be reduced and a large resistance change rate can be obtained.

続いて、記憶素子が、必要な特性を満たすための条件について説明する。
まず、トンネル磁気接合素子のトンネルバリアとなる中間層(以下、バリア層とする)について説明する。
Next, conditions for the storage element to satisfy necessary characteristics will be described.
First, an intermediate layer (hereinafter referred to as a barrier layer) serving as a tunnel barrier of the tunnel magnetic junction element will be described.

電流磁界により記憶層の磁化の向きを反転させる(通常のMRAMの)記憶素子では、バリア層の抵抗値が、500Ω〜2kΩμmの範囲であることが望ましい。 In a storage element (of a normal MRAM) that reverses the magnetization direction of the storage layer by a current magnetic field, the resistance value of the barrier layer is preferably in the range of 500Ω to 2 kΩμm 2 .

また、スピン注入により記憶層の磁化の向きを反転させる記憶素子では、例えば、AlOxによりバリア層を形成したトンネル磁気接合素子において、スピン注入による磁化反転を可能とするためには、およそ3〜8×10(A/μm)の電流密度を必要とする。
バリア層内のピンホール密度等の信頼性にもよるが、スピン注入磁化反転が可能であり、かつ比較的低抵抗のバリア層の絶縁耐電圧は、およそ1V程度である。
ここで、記憶素子の面積を仮に0.06×0.167μm=0.01μmであるとした場合に、3〜8×10(A/μm)の電流密度を得るためには、それぞれ33.3〜12.5(Ωμm)よりも抵抗値が小さい必要がある。
なお、磁化反転に必要な電流密度が小さいほど、記憶素子の抵抗値が大きくてもよくなる。
従って、バリア層の抵抗値は、スピン注入に必要な電流密度を得る観点から、少なくとも30Ωμm以下であることが好ましく、15Ωμm以下であることがさらに好ましい。
Further, in a storage element that reverses the magnetization direction of the storage layer by spin injection, for example, in a tunnel magnetic junction element in which a barrier layer is formed of AlOx, in order to enable magnetization reversal by spin injection, about 3-8. A current density of × 10 6 (A / μm 2 ) is required.
Although depending on the reliability such as the pinhole density in the barrier layer, the spin-injection magnetization reversal is possible, and the dielectric breakdown voltage of the relatively low resistance barrier layer is about 1V.
Here, in order to obtain a current density of 3 to 8 × 10 6 (A / μm 2 ), assuming that the area of the memory element is 0.06 × 0.167 μm = 0.01 μm 2 , The resistance value needs to be smaller than 33.3 to 12.5 (Ωμm 2 ).
Note that the smaller the current density required for magnetization reversal, the larger the resistance value of the memory element.
Accordingly, the resistance value of the barrier layer, from the viewpoint of obtaining a current density required for spin injection is preferably at least 30Omegamyuemu 2 or less, and more preferably 15Omegamyuemu 2 or less.

また、バリア層に、AlOxの代わりに、MgO等その他の材料を用いた場合においても、同様の理由から要求される抵抗値が定まるが、MgO等の材料を用いた場合にも絶縁耐電圧がAlOxとほぼ同等であるので、抵抗値が30Ωμm以下であることが望ましい。 In addition, when other materials such as MgO are used for the barrier layer instead of AlOx, the required resistance value is determined for the same reason, but the insulation withstand voltage is also obtained when a material such as MgO is used. Since it is almost equivalent to AlOx, it is desirable that the resistance value is 30 Ωμm 2 or less.

記憶素子のその他の構成は、外部磁界の印加或いはスピン注入により情報を記録する記憶素子の従来公知の構成と同様とすることができる。
磁化固定層は、強磁性層のみにより、或いは反強磁性層と強磁性層の反強磁性結合を利用することにより、その磁化の向きが固定された構成とする。
また、磁化固定層や記憶層は、単層の強磁性層から成る構造、或いは複数層の強磁性層を非磁性層を介して積層した積層フェリ構造とする。
The other configuration of the memory element can be the same as a conventionally known configuration of the memory element that records information by applying an external magnetic field or spin injection.
The magnetization fixed layer has a configuration in which the magnetization direction is fixed only by the ferromagnetic layer or by using the antiferromagnetic coupling between the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer.
In addition, the fixed magnetization layer and the storage layer have a structure composed of a single ferromagnetic layer, or a laminated ferrimagnetic structure in which a plurality of ferromagnetic layers are stacked via a nonmagnetic layer.

なお、記憶素子の記憶層に記録された情報を読み出す方法としては、記憶素子の記憶層に薄い絶縁膜を介して、情報の基準となる磁性層を設けて、絶縁層を介して流れる強磁性トンネル電流によって、記録された情報を読み出してもよいし、磁気抵抗効果により読み出してもよい。   As a method for reading information recorded in the memory layer of the memory element, a ferromagnetic layer that flows through the insulating layer is provided by providing a magnetic layer serving as a reference of information via a thin insulating film in the memory layer of the memory element. The recorded information may be read by a tunnel current, or may be read by a magnetoresistive effect.

続いて、本発明の実施の形態を説明する。   Next, embodiments of the present invention will be described.

本発明の一実施の形態として、メモリの概略構成図(斜視図)を図1に示す。
このメモリは、互いに直交する2種類のアドレス配線(例えばワード線とビット線)の交点付近に、磁化状態で情報を保持することができる記憶素子が配置されて成る。
即ち、シリコン基板等の半導体基体10の素子分離層2により分離された部分に、各メモリセルを選択するための選択用トランジスタを構成する、ドレイン領域8、ソース領域7、並びにゲート電極1が、それぞれ形成されている。このうち、ゲート電極1は、図中前後方向に延びる一方のアドレス配線(例えばワード線)を兼ねている。
ドレイン領域8は、図中左右の選択用トランジスタに共通して形成されており、このドレイン領域8には、配線9が接続されている。
As an embodiment of the present invention, a schematic configuration diagram (perspective view) of a memory is shown in FIG.
In this memory, a storage element capable of holding information in a magnetized state is arranged near the intersection of two types of address lines (for example, a word line and a bit line) orthogonal to each other.
That is, the drain region 8, the source region 7, and the gate electrode 1 that constitute a selection transistor for selecting each memory cell in a portion separated by the element isolation layer 2 of the semiconductor substrate 10 such as a silicon substrate, Each is formed. Of these, the gate electrode 1 also serves as one address wiring (for example, a word line) extending in the front-rear direction in the figure.
The drain region 8 is formed in common to the left and right selection transistors in the figure, and a wiring 9 is connected to the drain region 8.

そして、ソース領域7と、上方に配置された、図中左右方向に延びる他方のアドレス配線(例えばビット線)6との間に、記憶素子3が配置されている。この記憶素子3は、スピン注入により磁化の向きが反転する強磁性層から成る記憶層を有する。
また、この記憶素子3は、2種類のアドレス配線1,6の交点付近に配置されている。
この記憶素子3は、ビット線6と、ソース領域7とに、それぞれ上下のコンタクト層4を介して接続されている。
これにより、2種類のアドレス配線1,6を通じて、記憶素子3に上下方向(記憶素子3の積層方向)の電流を流して、スピン注入により記憶層の磁化の向きを反転させることができる。
The storage element 3 is disposed between the source region 7 and the other address wiring (for example, bit line) 6 disposed above and extending in the left-right direction in the drawing. The storage element 3 has a storage layer composed of a ferromagnetic layer whose magnetization direction is reversed by spin injection.
The storage element 3 is arranged near the intersection of the two types of address lines 1 and 6.
The storage element 3 is connected to the bit line 6 and the source region 7 through upper and lower contact layers 4, respectively.
As a result, a current in the vertical direction (stacking direction of the storage element 3) can be passed through the storage element 3 through the two types of address lines 1 and 6, and the magnetization direction of the storage layer can be reversed by spin injection.

また、本実施の形態のメモリの記憶素子3の断面図を図2に示す。
図2に示すように、この記憶素子3は、スピン注入により磁化M1の向きが反転する記憶層17に対して、下層に磁化固定層31を設けている。
磁化固定層31の下に反強磁性層12が設けられ、この反強磁性層12により、磁化固定層31の磁化の向きが固定される。
A cross-sectional view of the memory element 3 of the memory according to the present embodiment is shown in FIG.
As shown in FIG. 2, the storage element 3 is provided with a fixed magnetization layer 31 in the lower layer with respect to the storage layer 17 in which the direction of the magnetization M1 is reversed by spin injection.
The antiferromagnetic layer 12 is provided under the magnetization fixed layer 31, and the magnetization direction of the magnetization fixed layer 31 is fixed by the antiferromagnetic layer 12.

記憶層17と磁化固定層31との間には、トンネルバリアとなる絶縁層(バリア層)16が設けられ、記憶層17と絶縁層16と磁化固定層31とにより、トンネル磁気接合素子(MTJ素子)が構成されている。   An insulating layer (barrier layer) 16 serving as a tunnel barrier is provided between the storage layer 17 and the magnetization fixed layer 31, and the tunnel magnetic junction element (MTJ) is formed by the storage layer 17, the insulating layer 16, and the magnetization fixed layer 31. Element).

そして、磁化固定層31は、積層フェリ構造となっている。
具体的には、磁化固定層31は、2層の強磁性層13,15が、非磁性層14を介して積層されて反強磁性結合した構成である。
磁化固定層31の各強磁性層13,15が積層フェリ構造となっているため、強磁性層13の磁化M13が右向き、強磁性層15の磁化M15が左向きとなっており、互いに反対向きになっている。
これにより、磁化固定層31の各強磁性層13,15から漏れる磁束が、互いに打ち消し合う。
The magnetization fixed layer 31 has a laminated ferrimagnetic structure.
Specifically, the magnetization fixed layer 31 has a configuration in which two ferromagnetic layers 13 and 15 are stacked via a nonmagnetic layer 14 and antiferromagnetically coupled.
Since each of the ferromagnetic layers 13 and 15 of the magnetization fixed layer 31 has a laminated ferrimagnetic structure, the magnetization M13 of the ferromagnetic layer 13 is directed to the right, and the magnetization M15 of the ferromagnetic layer 15 is directed to the left. It has become.
Thereby, the magnetic fluxes leaking from the ferromagnetic layers 13 and 15 of the magnetization fixed layer 31 cancel each other.

また、反強磁性層12の下には下地層11が形成され、記憶素子3の最上層にキャップ層19が形成されている。   A base layer 11 is formed under the antiferromagnetic layer 12, and a cap layer 19 is formed as the uppermost layer of the memory element 3.

記憶層17の材料としては、特に限定はないが、鉄、ニッケル、コバルトの1種もしくは2種以上からなる合金材料を用いることができる。さらにNb、Zr等の遷移金属元素やB等の軽元素を含有させることもできる。また、例えばCoFe/NiFe/CoFeの積層膜といったように、材料が異なる複数の膜を直接(非磁性層を介さずに)積層して、記憶層17を構成してもよい。
そして、特に、記憶層17をCoFeB層とした場合には、飽和磁化量を少なくすることができ、なおかつ抵抗変化率を大きくすることができるため、記憶層をCoFeB層とすることが望ましい。さらに望ましくは、CoFeBのボロンBの含有量が15〜30%であり、かつCoとFeとの組成比がCo:Fe=9:1〜5:5であることが好ましい。
The material of the memory layer 17 is not particularly limited, and an alloy material composed of one or more of iron, nickel, and cobalt can be used. Furthermore, transition metal elements such as Nb and Zr, and light elements such as B can also be contained. In addition, the storage layer 17 may be configured by directly stacking a plurality of films made of different materials, such as a CoFe / NiFe / CoFe stacked film, without using a nonmagnetic layer.
In particular, when the storage layer 17 is a CoFeB layer, the saturation magnetization amount can be reduced and the resistance change rate can be increased. Therefore, the storage layer is preferably a CoFeB layer. More desirably, the content of boron B in CoFeB is 15 to 30%, and the composition ratio of Co and Fe is Co: Fe = 9: 1 to 5: 5.

磁化固定層31の強磁性層13,15の材料としては、鉄、ニッケル、コバルトの1種もしくは2種以上からなる合金材料、例えばCoFe合金を用いることができる。さらにNb、Zr等の遷移金属元素やB等の軽元素を含有させることもできる。
例えば、CoFe合金にボロンBが20〜30原子%添加されたアモルファス(非晶質)のCoFeBを用いることも可能である。
As the material of the ferromagnetic layers 13 and 15 of the magnetization fixed layer 31, an alloy material composed of one or more of iron, nickel, and cobalt, for example, a CoFe alloy can be used. Furthermore, transition metal elements such as Nb and Zr, and light elements such as B can also be contained.
For example, amorphous (amorphous) CoFeB in which 20 to 30 atomic% of boron B is added to a CoFe alloy can be used.

また、特に、磁化固定層31のトンネルバリアとなる絶縁層16に接する強磁性層15に、CoFeB層を用いることにより、スピン分極率を大きくして、スピン注入効率を向上することができる。これにより、記憶層17の磁化M1の向きを反転させるための電流をさらに低減することができる。
そして、特にCoFeB層のFe含有率を20原子%以上、B含有率を10〜30%とすることにより、抵抗変化率を大きくして、かつ必要な耐熱性を確保することができる。
In particular, by using a CoFeB layer for the ferromagnetic layer 15 in contact with the insulating layer 16 serving as a tunnel barrier of the magnetization fixed layer 31, the spin polarizability can be increased and the spin injection efficiency can be improved. Thereby, the current for reversing the direction of the magnetization M1 of the storage layer 17 can be further reduced.
In particular, when the Fe content of the CoFeB layer is 20 atomic% or more and the B content is 10 to 30%, the rate of resistance change can be increased and the necessary heat resistance can be ensured.

ただし、反強磁性層12に接する強磁性層13には、ボロンBの含有量が15%以上のCoFeB層を用いることは望ましくなく、CoFe層を用いる方が望ましい。   However, it is not desirable to use a CoFeB layer having a boron B content of 15% or more for the ferromagnetic layer 13 in contact with the antiferromagnetic layer 12, and it is desirable to use a CoFe layer.

また、磁化固定層31の積層フェリを構成する非磁性層14の下の強磁性層13には、CoFeB層よりもCoFe層を用いた方が望ましい。   In addition, it is desirable to use a CoFe layer rather than a CoFeB layer for the ferromagnetic layer 13 below the nonmagnetic layer 14 that constitutes the laminated ferrimagnetic pinned layer 31.

これらのことから、例えば、トンネルバリアとなる絶縁層16と接する側の磁性層をCoFeB層として、非磁性層14側の磁性層はCoFe層とした、CoFeB/CoFeの積層膜により強磁性層15を構成してもよい。   Therefore, for example, the ferromagnetic layer 15 is formed of a CoFeB / CoFe laminated film in which the magnetic layer on the side in contact with the insulating layer 16 serving as a tunnel barrier is a CoFeB layer and the magnetic layer on the nonmagnetic layer 14 side is a CoFe layer. May be configured.

磁化固定層31の積層フェリを構成する非磁性層14の材料としては、ルテニウム、銅、クロム、金、銀等が使用できる。非磁性層14の膜厚は、材料によって変動するが、好ましくは、ほぼ0.4nmから2.5nmの範囲で使用する。
反強磁性層12の材料としては、鉄、ニッケル、白金、イリジウム、ロジウム等の金属元素とマンガンとの合金、コバルトやニッケルの酸化物等が使用できる。
As the material of the nonmagnetic layer 14 constituting the laminated ferrimagnetic pinned layer 31, ruthenium, copper, chromium, gold, silver or the like can be used. Although the film thickness of the nonmagnetic layer 14 varies depending on the material, it is preferably used in the range of approximately 0.4 nm to 2.5 nm.
As a material of the antiferromagnetic layer 12, an alloy of a metal element such as iron, nickel, platinum, iridium and rhodium and manganese, an oxide of cobalt or nickel, or the like can be used.

本実施の形態においては、特に、記憶素子3の記憶層17とキャップ層(保護層)19との間に、酸化物層18が設けられている。   In the present embodiment, in particular, the oxide layer 18 is provided between the memory layer 17 and the cap layer (protective layer) 19 of the memory element 3.

酸化物層18の材料としては、例えば、酸化アルミニウム(Al−Ox)や、酸化マグネシウム(MgO)や、その他の酸化物を用いることができる。   As a material of the oxide layer 18, for example, aluminum oxide (Al—Ox), magnesium oxide (MgO), or other oxides can be used.

記憶層17とキャップ層(保護層)19との間に酸化物層18が設けられていることにより、熱が加わることによる、記憶層17とキャップ層(保護層)19との間の元素の拡散を、酸化物層18により抑制することができる。   Since the oxide layer 18 is provided between the memory layer 17 and the cap layer (protective layer) 19, the element between the memory layer 17 and the cap layer (protective layer) 19 due to heat is added. Diffusion can be suppressed by the oxide layer 18.

本実施の形態の記憶素子3は、下地層11からキャップ層19までを真空装置内で連続的に形成して、その後エッチング等の加工により記憶素子3のパターンを形成することにより、製造することができる。   The memory element 3 of the present embodiment is manufactured by continuously forming the base layer 11 to the cap layer 19 in a vacuum apparatus and then forming the pattern of the memory element 3 by processing such as etching. Can do.

上述の本実施の形態によれば、記憶素子3の記憶層17とキャップ層(保護層)19との間に、酸化物層18が設けられていることにより、熱が加わることによる、記憶層17とキャップ層(保護層)19との間の元素の拡散を、酸化物層18により抑制することができる。
これにより、記憶素子3に熱が加わったときの上述の元素の拡散による特性の劣化を抑制することができるため、メモリにおいて、情報の記録や読み出しを安定して行うことが可能になる。
従って、耐熱性を有し、信頼性の高いメモリを実現することができる。
According to the above-described embodiment, since the oxide layer 18 is provided between the storage layer 17 and the cap layer (protective layer) 19 of the storage element 3, the storage layer is formed by applying heat. Diffusion of elements between 17 and the cap layer (protective layer) 19 can be suppressed by the oxide layer 18.
Accordingly, deterioration of characteristics due to diffusion of the above-described element when heat is applied to the storage element 3 can be suppressed, and thus it is possible to stably record and read information in the memory.
Therefore, a memory having heat resistance and high reliability can be realized.

そして、特に、記憶素子3の例えば絶縁層16に、MgO等の比較的高い熱処理温度を要求される層を用いた場合において、熱処理によって抵抗変化率をさらに上昇させて、なおかつ磁気特性の劣化を抑制することができる。   In particular, when a layer requiring a relatively high heat treatment temperature, such as MgO, is used for the insulating layer 16 of the memory element 3, the resistance change rate is further increased by the heat treatment, and the magnetic characteristics are deteriorated. Can be suppressed.

次に、本発明の他の実施の形態として、メモリを構成する記憶素子の断面図を図3に示す。
この記憶素子30は、図2に示した先の実施の形態の記憶素子3の構成に対して、下地層11とキャップ層19の間にある各層12〜18を、上下逆に積層した構成となっている。
即ち、下地層11と記憶層17との間に、酸化物層18が設けられている。
その他の構成は、図2に示した記憶素子3と同様であるので、同一符号を付して重複説明を省略する。
Next, as another embodiment of the present invention, a cross-sectional view of a memory element constituting a memory is shown in FIG.
The storage element 30 has a configuration in which the layers 12 to 18 between the base layer 11 and the cap layer 19 are stacked upside down with respect to the configuration of the storage element 3 of the previous embodiment shown in FIG. It has become.
That is, the oxide layer 18 is provided between the base layer 11 and the memory layer 17.
Other configurations are the same as those of the memory element 3 shown in FIG.

また、本実施の形態の記憶素子30を用いて、図1に示したメモリと同様の構成のメモリを構成することができる。
即ち、記憶素子30を2種類のアドレス配線の交点付近に配置してメモリを構成し、2種類のアドレス配線を通じて記憶素子30に上下方向(積層方向)の電流を流して、スピン注入により記憶層17の磁化の向きを反転させて、記憶素子30に情報の記録を行うことができる。
Further, a memory having a structure similar to that of the memory illustrated in FIG. 1 can be formed using the memory element 30 of this embodiment.
That is, the memory element 30 is arranged near the intersection of two types of address wirings to form a memory, and a current in the vertical direction (stacking direction) is passed through the memory element 30 through the two types of address wirings, and the memory layer is formed by spin injection. The information can be recorded in the memory element 30 by reversing the direction of magnetization of 17.

上述の本実施の形態によれば、記憶素子30の下地層11と記憶層17との間に酸化物層18が設けられていることにより、熱が加わることによる、下地層11と記憶層17との間の元素の拡散を、酸化物層18により抑制することができる。
これにより、先の実施の形態と同様に、記憶素子30に熱が加わったときの上述の元素の拡散による特性の劣化を抑制することができるため、メモリにおいて、情報の記録や読み出しを安定して行うことが可能になる。
従って、耐熱性を有し、信頼性の高いメモリを実現することができる。
According to the present embodiment described above, since the oxide layer 18 is provided between the base layer 11 and the memory layer 17 of the memory element 30, the base layer 11 and the memory layer 17 are caused by the application of heat. The oxide layer 18 can suppress the diffusion of elements between the two.
As in the previous embodiment, this makes it possible to suppress deterioration in characteristics due to the diffusion of the above-described elements when heat is applied to the memory element 30, so that information recording and reading can be stably performed in the memory. Can be performed.
Therefore, a memory having heat resistance and high reliability can be realized.

そして、特に、記憶素子30の例えば絶縁層16に、MgO等の比較的高い熱処理温度を要求される層を用いた場合において、熱処理によって抵抗変化率をさらに上昇させて、なおかつ磁気特性の劣化を抑制することができる。   In particular, when a layer that requires a relatively high heat treatment temperature, such as MgO, is used for the insulating layer 16 of the memory element 30, the resistance change rate is further increased by the heat treatment and the magnetic characteristics are deteriorated. Can be suppressed.

なお、上述の各実施の形態では、いずれもスピン注入により記憶層の磁化の向きを反転させて情報を記録するメモリに本発明を適用して説明を行ったが、各実施の形態の記憶素子3,30を、電流磁界により記憶層の磁化の向きを反転させて情報を記録するメモリに用いることも可能であり、その場合も、同様に、記憶素子の耐熱性を向上することができる効果が得られる。   In each of the above-described embodiments, the description has been made by applying the present invention to a memory that records information by reversing the magnetization direction of the storage layer by spin injection. However, the storage element of each embodiment 3 and 30 can also be used in a memory that records information by reversing the direction of magnetization of the storage layer by means of a current magnetic field. In this case, the heat resistance of the storage element can be similarly improved. Is obtained.

(実施例)
ここで、本発明の記憶素子の構成において、具体的に各層の材料や膜厚等を選定して、特性を調べた。
実際には、メモリには、図1や図5に示したように、記憶素子以外にもスイッチング用の半導体回路等が存在するが、ここでは、記憶層の磁気抵抗特性を調べる目的で、記憶素子のみを形成したウエハにより検討を行った。
(Example)
Here, in the structure of the memory element of the present invention, the material and film thickness of each layer were specifically selected, and the characteristics were examined.
Actually, as shown in FIGS. 1 and 5, the memory includes a semiconductor circuit for switching in addition to the memory element. Here, for the purpose of examining the magnetoresistance characteristics of the memory layer, the memory is stored. The study was performed using a wafer on which only elements were formed.

(膜構成1:サンプル1)
まず、厚さ0.575mmのシリコン基板上に厚さ300nmの熱酸化膜を形成し、その上に下部電極層として、Ta(3nm)/Al(60nm)の積層膜を予め形成した後に、その上に図2に示した構成の記憶素子3を形成した。
具体的には、図2に示した構成の記憶素子3において、下地層11を膜厚3nmのTa膜、反強磁性層12を膜厚30nmのPtMn膜、磁化固定層31を構成する強磁性層13を膜厚2nmのCo90Fe10膜(添え字は原子%)、積層フェリ構造の磁化固定層31を構成する非磁性層14を膜厚0.8nmのRu膜、磁化固定層31を構成する強磁性層15を膜厚2nmのCoFeB膜、トンネル絶縁層となる絶縁層16を膜厚0.8nmのAl膜を酸化した酸化アルミニウム膜、記憶層17を膜厚3nmのCoFeB膜、酸化物層18を膜厚0.6nmのAl膜を酸化した酸化アルミニウム膜、キャップ層19を膜厚5nmのTa膜と選定して、各層を形成した。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成(膜構成1)として、記憶素子3を作製した。
膜構成1:
Ta(3nm)/PtMn(30nm)/Co90Fe10(2nm)/Ru(0.8nm)/CoFeB(2nm)/Al(0.8nm)-Ox/CoFeB(3nm)/Al(0.6nm)-Ox/Ta(5nm)
なお、上記膜構成で、合金組成の示されていないPtMnの組成はPt50Mn50(原子%)とした。
酸化アルミニウム膜から成る絶縁層16及び酸化物層18以外の各層は、DCマグネトロンスパッタ法を用いて成膜した。
酸化アルミニウム(Al−O)膜から成る絶縁層16及び酸化物層18は、まず金属Al膜をDCスパッタ法により所定の厚さで堆積させた後に、金属Al層を酸化させた。
金属Al層の酸化の方法は、酸素プラズマによりプラズマ酸化する方法を採用し、圧力を1mTorr、パワーを400Wとして、絶縁層16には10秒間、酸化物層18には5秒間のプラズマ酸化を行った。
その後に、再び1×10−7〜1×10−8Torrの高真空に排気して、次の層の成膜を行った。
さらに、記憶素子3の各層を成膜した後に、磁場中熱処理炉で、10kOe・300℃及び380℃で2時間の熱処理を行い、反強磁性層12のPtMn膜の規則化熱処理及び高温耐久熱処理を行った。
(Membrane structure 1: Sample 1)
First, a 300 nm thick thermal oxide film is formed on a 0.575 mm thick silicon substrate, and a Ta (3 nm) / Al (60 nm) laminated film is previously formed thereon as a lower electrode layer. The memory element 3 having the configuration shown in FIG. 2 was formed above.
Specifically, in the memory element 3 having the configuration shown in FIG. 2, the underlayer 11 is a Ta film having a thickness of 3 nm, the antiferromagnetic layer 12 is a PtMn film having a thickness of 30 nm, and the ferromagnetic layer constituting the magnetization fixed layer 31. The layer 13 is a Co 90 Fe 10 film having a film thickness of 2 nm (subscript is atomic%), the nonmagnetic layer 14 constituting the magnetization fixed layer 31 having a laminated ferri structure is the Ru film having a film thickness of 0.8 nm, and the magnetization fixed layer 31 is The ferromagnetic layer 15 to be formed is a CoFeB film having a thickness of 2 nm, the insulating layer 16 to be a tunnel insulating layer is an aluminum oxide film obtained by oxidizing an Al film having a thickness of 0.8 nm, and the storage layer 17 is a CoFeB film having a thickness of 3 nm. Each layer was formed by selecting the physical layer 18 as an aluminum oxide film obtained by oxidizing a 0.6 nm thick Al film and the cap layer 19 as a 5 nm thick Ta film.
That is, the memory element 3 was manufactured with the material and film thickness of each layer as the following configuration (film configuration 1).
Membrane configuration 1:
Ta (3nm) / PtMn (30nm) / Co90Fe10 (2nm) / Ru (0.8nm) / CoFeB (2nm) / Al (0.8nm) -Ox / CoFeB (3nm) / Al (0.6nm) -Ox / Ta (5nm )
In the above film configuration, the composition of PtMn that is not shown in the alloy composition was Pt 50 Mn 50 (atomic%).
Each layer other than the insulating layer 16 and the oxide layer 18 made of an aluminum oxide film was formed using a DC magnetron sputtering method.
As for the insulating layer 16 and the oxide layer 18 made of an aluminum oxide (Al—O x ) film, a metal Al film was first deposited with a predetermined thickness by a DC sputtering method, and then the metal Al layer was oxidized.
The method for oxidizing the metal Al layer employs a plasma oxidation method using oxygen plasma, the pressure is 1 mTorr, the power is 400 W, the insulating layer 16 is subjected to plasma oxidation for 10 seconds, and the oxide layer 18 is subjected to plasma oxidation for 5 seconds. It was.
After that, it was evacuated again to a high vacuum of 1 × 10 −7 to 1 × 10 −8 Torr, and the next layer was formed.
Further, after each layer of the memory element 3 is formed, heat treatment is performed at 10 kOe · 300 ° C. and 380 ° C. for 2 hours in a heat treatment furnace in a magnetic field, ordering heat treatment and high-temperature durability heat treatment of the PtMn film of the antiferromagnetic layer 12. Went.

次に、ワード線部分をフォトリソグラフィによってマスクした後に、ワード線以外の部分の積層膜に対してArプラズマにより選択エッチングを行うことにより、ワード線(下部電極)を形成した。この際に、ワード線部分以外は、基板の深さ5nmまでエッチングされた。   Next, after masking the word line portion by photolithography, selective etching was performed by Ar plasma on the laminated film other than the word line to form the word line (lower electrode). At this time, except for the word line portion, the substrate was etched to a depth of 5 nm.

その後、電子ビーム描画装置により記憶素子3のパターンのマスクを形成し、積層膜に対して選択エッチングを行い、記憶素子3を形成した。記憶素子3部分以外は、下部電極層のAl層直上までエッチングした。   Thereafter, a mask of the pattern of the memory element 3 was formed by an electron beam drawing apparatus, and selective etching was performed on the laminated film to form the memory element 3. Except for the memory element 3 portion, etching was performed up to the Al layer of the lower electrode layer.

なお、記憶素子の大きさを小さくしていき、Δ=KuV/kT(Kuは異方性エネルギー、Vは磁性体の体積、kはボルツマン定数、Tは温度である)の値が小さくなり過ぎると、磁性体の熱揺らぎ耐性の問題から、磁化の向きが不安定となり、磁化の方向の保持特性が不足する。一方、記憶素子の大きさを大きくし過ぎると、上述のΔが大きくなり過ぎるため、磁化反転に必要なスピントルクが大きくなって、より大きな電流密度が必要となると共に、面積が大きいことから、より大きな電流を記憶素子に流す必要がある。
そこで、記憶素子のパターンを、短軸70nm×長軸170nmの楕円形状とした。
トンネル絶縁層が破壊する電圧は、その材質や形成条件によって異なり、測定する記憶素子の大きさにもよるが、今回実験を行った範囲の絶縁層の形成条件では、およそ短軸70nm×長軸170nmの楕円形状の記憶素子に対して、およそ1.0〜1.2Vの範囲にあった。
As the size of the memory element is reduced, Δ = KuV / kT (Ku is the anisotropic energy, V is the volume of the magnetic material, k is the Boltzmann constant, and T is the temperature) becomes too small. Due to the problem of the thermal fluctuation resistance of the magnetic material, the magnetization direction becomes unstable and the magnetization direction holding characteristic is insufficient. On the other hand, if the size of the memory element is made too large, the above Δ becomes too large, so the spin torque necessary for magnetization reversal becomes large, a larger current density is required, and the area is large. A larger current needs to flow through the memory element.
Therefore, the pattern of the memory element was an elliptical shape having a short axis of 70 nm and a long axis of 170 nm.
The voltage at which the tunnel insulating layer breaks depends on the material and the forming conditions, and depends on the size of the memory element to be measured. However, under the insulating layer forming conditions in the range where the experiment was conducted, the short axis is about 70 nm × the long axis. It was in the range of about 1.0 to 1.2 V for an elliptical storage element of 170 nm.

次に、記憶素子3部分以外を、厚さ100nm程度のAlのスパッタリングによって絶縁した。
その後、リフトオフにより記憶素子3の上面のコンタクトを形成した。
次に、Cr(20nm)/Cu(100nm)/Au(100nm)の充分に抵抗が低い上部電極層を形成して、フォトリソグラフィを用いて上部電極となるビット線及び測定用のパッド部分を形成して、記憶素子の試料を作製し、サンプル1の試料とした。
Next, the portions other than the memory element 3 portion were insulated by sputtering of Al 2 O 3 having a thickness of about 100 nm.
Thereafter, a contact on the upper surface of the memory element 3 was formed by lift-off.
Next, an upper electrode layer having a sufficiently low resistance of Cr (20 nm) / Cu (100 nm) / Au (100 nm) is formed, and a bit line and a measurement pad portion to be the upper electrode are formed using photolithography. Thus, a sample of the memory element was manufactured and used as Sample 1.

(膜構成2:サンプル2)
トンネルバリア層となる絶縁層16を膜厚1.6nmのMgO(酸化マグネシウム)膜により形成し、その他の構成は膜構成1と同様にして、記憶素子3を作製し、サンプル2の試料とした。MgO膜は、MgOターゲットを用いてRFスパッタ法により酸化物を直接堆積させて形成した。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成(膜構成2)として、記憶素子を作製した。
膜構成2:
Ta(3nm)/PtMn(30nm)/Co90Fe10(2nm)/Ru(0.8nm)/CoFeB(2nm)/MgO(1.6nm)/CoFeB(3nm)/Al(0.6nm)-Ox/Ta(5nm)
(Membrane structure 2: Sample 2)
An insulating layer 16 serving as a tunnel barrier layer is formed of a 1.6 nm-thickness MgO (magnesium oxide) film, and the other structure is the same as that of the film structure 1, and the memory element 3 is manufactured as a sample 2 sample. . The MgO film was formed by directly depositing an oxide by RF sputtering using an MgO target.
That is, a memory element was manufactured by setting the material and film thickness of each layer to the following configuration (film configuration 2).
Membrane configuration 2:
Ta (3nm) / PtMn (30nm) / Co90Fe10 (2nm) / Ru (0.8nm) / CoFeB (2nm) / MgO (1.6nm) / CoFeB (3nm) / Al (0.6nm) -Ox / Ta (5nm)

(膜構成3:サンプル3)
酸化物層18を膜厚0.8nmのMgO膜により形成し、その他の構成は膜構成2と同様にして、記憶素子3を作製し、サンプル3の試料とした。MgO膜は、MgOターゲットを用いてRFスパッタ法により酸化物を直接堆積させて形成した。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成(膜構成3)として、記憶素子を作製した。
膜構成3:
Ta(3nm)/PtMn(30nm)/Co90Fe10(2nm)/Ru(0.8nm)/CoFeB(2nm)/MgO(1.6nm)/CoFeB(3nm)/MgO(0.8nm)/Ta(5nm)
(Membrane structure 3: Sample 3)
The oxide layer 18 was formed of a 0.8 nm-thickness MgO film, and the other configuration was the same as the film configuration 2 to fabricate the memory element 3 as a sample 3 sample. The MgO film was formed by directly depositing an oxide by RF sputtering using an MgO target.
That is, a memory element was manufactured with the material and film thickness of each layer as the following configuration (film configuration 3).
Membrane configuration 3:
Ta (3nm) / PtMn (30nm) / Co90Fe10 (2nm) / Ru (0.8nm) / CoFeB (2nm) / MgO (1.6nm) / CoFeB (3nm) / MgO (0.8nm) / Ta (5nm)

(膜構成4:サンプル4)
磁化固定層31の反強磁性層12側の強磁性層13を膜厚2.5nmのCo膜により形成し、その他の構成は膜構成1と同様にして、記憶素子3を作製し、サンプル4の試料とした。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成(膜構成4)として、記憶素子を作製した。
膜構成4:
Ta(3nm)/PtMn(30nm)/Co(2.5nm)/Ru(0.8nm)/CoFeB(2nm)/Al(0.8nm)-Ox/CoFeB(3nm)/Al(0.6nm)-Ox/Ta(5nm)
(Membrane structure 4: Sample 4)
The ferromagnetic layer 13 on the antiferromagnetic layer 12 side of the magnetization fixed layer 31 is formed of a Co film having a film thickness of 2.5 nm, and the other configuration is the same as that of the film configuration 1 to fabricate the memory element 3, and sample 4 It was set as the sample of this.
That is, a memory element was fabricated with the material and film thickness of each layer as the following configuration (film configuration 4).
Membrane configuration 4:
Ta (3nm) / PtMn (30nm) / Co (2.5nm) / Ru (0.8nm) / CoFeB (2nm) / Al (0.8nm) -Ox / CoFeB (3nm) / Al (0.6nm) -Ox / Ta ( 5nm)

(膜構成5:サンプル5)
図2に示した記憶素子3を作製する代わりに、図3に示した記憶素子30を作製した。
具体的には、図3に示した記憶素子30において、下地層11を膜厚3nmのTa膜、酸化物層18を膜厚0.6nmのAl膜を酸化した酸化アルミニウム膜、記憶層17を膜厚3nmのCoFeB膜、トンネル絶縁層となる絶縁層16を膜厚0.8nmのAl膜を酸化した酸化アルミニウム膜、磁化固定層31を構成する強磁性層15を膜厚2nmのCoFeB膜と膜厚1nmのCo90Fe10膜(添え字は原子%)との積層膜、積層フェリ構造の磁化固定層31を構成する非磁性層14を膜厚0.8nmのRu膜、磁化固定層31を構成する強磁性層13を膜厚2.5nmのCo90Fe10膜、反強磁性層12を膜厚30nmのPtMn膜、キャップ層19を膜厚5nmのTa膜と選定して、各層を形成した。また、酸化物層18及び絶縁層16の酸化の条件は、それぞれサンプル1の酸化物層18及び絶縁層16の酸化条件と同一条件とした。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成(膜構成5)として、記憶素子30を作製した。
膜構成5:
Ta(3nm)/Al(0.6nm)-Ox/CoFeB(3nm)/Al(0.8nm)-Ox/CoFeB(2nm)/CoFe10(1nm)/Ru(0.8nm)/Co90Fe10(2.5nm)/PtMn(30nm)/Ta(5nm)
(Membrane structure 5: Sample 5)
Instead of producing the memory element 3 shown in FIG. 2, the memory element 30 shown in FIG. 3 was produced.
Specifically, in the memory element 30 shown in FIG. 3, the base layer 11 is a Ta film having a thickness of 3 nm, the oxide layer 18 is an aluminum oxide film obtained by oxidizing an Al film having a thickness of 0.6 nm, and the memory layer 17 is formed. A CoFeB film with a thickness of 3 nm, an aluminum oxide film obtained by oxidizing an Al film with a thickness of 0.8 nm as an insulating layer 16 serving as a tunnel insulating layer, and a CoFeB film with a thickness of 2 nm as a ferromagnetic layer 15 constituting the magnetization fixed layer 31 A laminated film with a Co 90 Fe 10 film (subscript is atomic%) with a thickness of 1 nm, a nonmagnetic layer 14 constituting a magnetization fixed layer 31 with a laminated ferri structure, a Ru film with a thickness of 0.8 nm, and a magnetization fixed layer 31 The Co 90 Fe 10 film having a film thickness of 2.5 nm, the PtMn film having a film thickness of 30 nm and the cap layer 19 being a Ta film having a film thickness of 5 nm are selected. Formed. The oxidation conditions of the oxide layer 18 and the insulating layer 16 were the same as the oxidation conditions of the oxide layer 18 and the insulating layer 16 of Sample 1, respectively.
That is, the memory element 30 was manufactured by setting the material and film thickness of each layer to the following configuration (film configuration 5).
Membrane configuration 5:
Ta (3nm) / Al (0.6nm) -Ox / CoFeB (3nm) / Al (0.8nm) -Ox / CoFeB (2nm) / CoFe10 (1nm) / Ru (0.8nm) / Co90Fe10 (2.5nm) / PtMn ( 30nm) / Ta (5nm)

(膜構成6:サンプル6)
トンネルバリアとなる絶縁層16及び酸化物層18をそれぞれ形成する金属Al層の膜厚を0.5nmと少し薄くして、また、絶縁層16及び酸化物層18の金属Al層を酸化する方法として、酸素を所定の圧力までチャンバー内に満たして所定の時間だけ放置する方法を採用し、その他の構成は膜構成1と同様にして、記憶素子3を作製し、サンプル6の試料とした。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成(膜構成6)として、記憶素子を作製した。
膜構成6:
Ta(3nm)/PtMn(30nm)/Co90Fe10(2nm)/Ru(0.8nm)/CoFeB(2nm)/Al(0.5nm)-Ox/CoFeB(3nm)/Al(0.5nm)-Ox/Ta(5nm)
絶縁層16は、圧力10Torrの酸素ガスにより600秒酸化を行った。
酸化物層18は、圧力1Torrの酸素ガスにより600秒酸化を行った。
(Membrane structure 6: Sample 6)
A method of reducing the thickness of the metal Al layer forming the insulating layer 16 and the oxide layer 18 serving as a tunnel barrier slightly to 0.5 nm, and oxidizing the metal Al layer of the insulating layer 16 and the oxide layer 18 As described above, a method of filling the chamber with oxygen up to a predetermined pressure and leaving it for a predetermined time was employed, and the other configuration was the same as the film configuration 1, and the memory element 3 was manufactured and used as the sample 6.
That is, a memory element was manufactured with the material and film thickness of each layer as the following configuration (film configuration 6).
Membrane configuration 6:
Ta (3nm) / PtMn (30nm) / Co90Fe10 (2nm) / Ru (0.8nm) / CoFeB (2nm) / Al (0.5nm) -Ox / CoFeB (3nm) / Al (0.5nm) -Ox / Ta (5nm )
The insulating layer 16 was oxidized for 600 seconds with oxygen gas at a pressure of 10 Torr.
The oxide layer 18 was oxidized for 600 seconds with oxygen gas at a pressure of 1 Torr.

(比較例)
上述したサンプル1〜サンプル6は、本発明の構成即ち実施例のサンプルであるが、これに対して、比較例として、本発明の構成以外の構成とした記憶素子のサンプルを作製した。
(Comparative example)
Samples 1 to 6 described above are the configurations of the present invention, that is, the samples of the examples. On the other hand, as comparative examples, samples of memory elements having configurations other than the configurations of the present invention were produced.

(膜構成7:サンプル7)
絶縁層16までは膜構成1と同様に形成し、記憶層17を膜厚2nmのCo90Fe10膜(添え字は原子%)により形成し、その上にキャップ層19を形成した構成として、記憶素子を作製した。即ち、図2の酸化物層18がなく、記憶層の上に直接キャップ層が形成された構成である。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成(膜構成7)として、記憶素子を作製した。
膜構成7:
Ta(3nm)/PtMn(30nm)/Co90Fe10(2nm)/Ru(0.8nm)/CoFeB(2nm)/Al(0.8nm)-Ox/Co90Fe10(2nm)/Ta(5nm)
これを、サンプル7の記憶素子の試料とした。
(Membrane structure 7: Sample 7)
The insulating layer 16 is formed in the same manner as the film configuration 1, the storage layer 17 is formed of a 2 nm-thickness Co 90 Fe 10 film (subscript is atomic%), and the cap layer 19 is formed thereon. A memory element was produced. That is, there is no oxide layer 18 in FIG. 2, and a cap layer is formed directly on the memory layer.
That is, a memory element was manufactured with the material and film thickness of each layer as the following configuration (film configuration 7).
Membrane configuration 7:
Ta (3nm) / PtMn (30nm) / Co90Fe10 (2nm) / Ru (0.8nm) / CoFeB (2nm) / Al (0.8nm) -Ox / Co90Fe10 (2nm) / Ta (5nm)
This was used as a sample of the memory element of Sample 7.

(膜構成8:サンプル8)
記憶層17までは膜構成1と同様に形成し、その上にキャップ層19を形成した構成として、記憶素子を作製した。即ち、図2の酸化物層18がなく、記憶層の上に直接キャップ層が形成された構成である。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成(膜構成8)として、記憶素子を作製した。
膜構成8:
Ta(3nm)/PtMn(30nm)/Co90Fe10(2nm)/Ru(0.8nm)/CoFeB(2nm)/Al(0.8nm)-Ox/CoFeB(3nm)/Ta(5nm)
これを、サンプル8の記憶素子の試料とした。
(Membrane structure 8: Sample 8)
Up to the memory layer 17 was formed in the same manner as in the film configuration 1, and a memory element was manufactured as a configuration in which the cap layer 19 was formed thereon. That is, there is no oxide layer 18 in FIG. 2, and a cap layer is formed directly on the memory layer.
That is, a memory element was manufactured by setting the material and film thickness of each layer to the following configuration (film configuration 8).
Membrane configuration 8:
Ta (3nm) / PtMn (30nm) / Co90Fe10 (2nm) / Ru (0.8nm) / CoFeB (2nm) / Al (0.8nm) -Ox / CoFeB (3nm) / Ta (5nm)
This was used as a sample of the memory element of Sample 8.

(膜構成9:サンプル9)
磁化固定層31の反強磁性層12側の強磁性層13のCoFe膜の組成をCo75Fe25(添え字は原子%)とした以外は、膜構成1と同様の構成として、記憶素子を作製した。即ち、反強磁性層12側の強磁性層13のFe含有率を、サンプル1よりも多くした構成である。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成(膜構成9)として、記憶素子を作製した。
膜構成9:
Ta(3nm)/PtMn(30nm)/Co75Fe25(2nm)/Ru(0.8nm)/CoFeB(2nm)/Al(0.8nm)-Ox/CoFeB(3nm)/Al(0.6nm)-Ox/Ta(5nm)
これを、サンプル9の記憶素子の試料とした。
(Membrane structure 9: Sample 9)
The memory element is configured in the same manner as in the film configuration 1 except that the composition of the CoFe film of the ferromagnetic layer 13 on the antiferromagnetic layer 12 side of the magnetization fixed layer 31 is Co 75 Fe 25 (subscript is atomic%). Produced. That is, the Fe content of the ferromagnetic layer 13 on the antiferromagnetic layer 12 side is greater than that of the sample 1.
That is, a memory element was manufactured with the material and film thickness of each layer as the following configuration (film configuration 9).
Membrane configuration 9:
Ta (3nm) / PtMn (30nm) / Co75Fe25 (2nm) / Ru (0.8nm) / CoFeB (2nm) / Al (0.8nm) -Ox / CoFeB (3nm) / Al (0.6nm) -Ox / Ta (5nm )
This was used as a sample of the memory element of Sample 9.

(膜構成10:サンプル10)
磁化固定層31の絶縁層16側の強磁性層15をCo90Fe10膜とした以外は、膜構成1と同様の構成として、記憶素子を作製した。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成(膜構成10)として、記憶素子を作製した。
膜構成10:
Ta(3nm)/PtMn(30nm)/Co90Fe10(2nm)/Ru(0.8nm)/Co90Fe10(2nm)/Al(0.8nm)-Ox/CoFeB(3nm)/Al(0.6nm)-Ox/Ta(5nm)
これを、サンプル10の記憶素子の試料とした。
(Membrane structure 10: Sample 10)
A memory element was fabricated with the same configuration as the film configuration 1 except that the ferromagnetic layer 15 on the insulating layer 16 side of the magnetization fixed layer 31 was a Co 90 Fe 10 film.
That is, a memory element was manufactured with the material and film thickness of each layer as the following configuration (film configuration 10).
Membrane configuration 10:
Ta (3nm) / PtMn (30nm) / Co90Fe10 (2nm) / Ru (0.8nm) / Co90Fe10 (2nm) / Al (0.8nm) -Ox / CoFeB (3nm) / Al (0.6nm) -Ox / Ta (5nm )
This was used as a sample of the memory element of Sample 10.

(膜構成11:サンプル11)
記憶層17までは膜構成6と同様に形成し、その上にキャップ層19を形成した構成として、記憶素子を作製した。即ち、図2の酸化物層18がなく、記憶層の上に直接キャップ層が形成された構成である。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成(膜構成11)として、記憶素子を作製した。
膜構成11:
Ta(3nm)/PtMn(30nm)/Co90Fe10(2nm)/Ru(0.8nm)/CoFeB(2nm)/Al(0.5nm)-Ox/CoFeB(3nm)/Ta(5nm)
これを、サンプル11の記憶素子の試料とした。
(Membrane structure 11: Sample 11)
Up to the memory layer 17 was formed in the same manner as in the film configuration 6, and a memory element was manufactured as a configuration in which the cap layer 19 was formed thereon. That is, there is no oxide layer 18 in FIG. 2, and a cap layer is formed directly on the memory layer.
That is, a memory element was manufactured by setting the material and film thickness of each layer to the following configuration (film configuration 11).
Membrane configuration 11:
Ta (3nm) / PtMn (30nm) / Co90Fe10 (2nm) / Ru (0.8nm) / CoFeB (2nm) / Al (0.5nm) -Ox / CoFeB (3nm) / Ta (5nm)
This was used as a sample of the memory element of Sample 11.

上述の各サンプルの記憶素子に対して、それぞれ以下のようにして特性の評価を行った。
なお、測定に先立ち、記憶素子に対して、外部から磁界を与えることができるように構成した。
The characteristics of the memory elements of the above samples were evaluated as follows.
Prior to the measurement, a magnetic field was externally applied to the storage element.

(面積抵抗値の測定)
ワード線の端子とビット線の端子にかかるバイアス電圧が10mVとなるように調節し、外部磁界によって記憶層の磁化の向きを反転させて、記憶素子全体の面積抵抗値を測定した。
(Measurement of sheet resistance)
The bias voltage applied to the word line terminal and the bit line terminal was adjusted to 10 mV, the magnetization direction of the storage layer was inverted by an external magnetic field, and the sheet resistance value of the entire storage element was measured.

(熱処理後の抵抗変化率の測定)
また、300℃で2時間の熱処理を行った記憶素子の試料と、380℃で2時間の熱処理を行った記憶素子の試料とを作製した。
それぞれの試料について、外部磁界により記憶層の磁化の向きを反転させて、抵抗−外部磁界の関係を調べた。
その後、抵抗が高い状態での抵抗値(高抵抗)と、抵抗が低い状態での抵抗値(低抵抗)とから、(高抵抗−低抵抗)/低抵抗の式により、抵抗変化率を算出した。
(Measurement of resistance change rate after heat treatment)
In addition, a sample of a memory element that was heat-treated at 300 ° C. for 2 hours and a sample of a memory element that was heat-treated at 380 ° C. for 2 hours were manufactured.
For each sample, the magnetization direction of the memory layer was reversed by an external magnetic field, and the relationship between the resistance and the external magnetic field was examined.
Then, the resistance change rate is calculated from the resistance value (high resistance) in the high resistance state and the resistance value (low resistance) in the low resistance state using the formula (high resistance-low resistance) / low resistance. did.

測定結果として、各サンプルの、記憶素子の低抵抗状態の面積抵抗値、並びに300℃及び380℃の熱処理後の記憶素子の抵抗変化率を表1に示す。表1の各測定値は、それぞれのサンプルのウエハ上に作製された200個の記憶素子を測定した値の平均値である。   As a measurement result, Table 1 shows the area resistance value of the memory element in the low resistance state and the resistance change rate of the memory element after the heat treatment at 300 ° C. and 380 ° C. for each sample. Each measured value in Table 1 is an average value of values obtained by measuring 200 memory elements manufactured on each sample wafer.

Figure 2006165059
Figure 2006165059

以下、表1の結果に基づいて、本発明の記憶素子の構成とすることによる作用効果を考察する。   Hereinafter, based on the result of Table 1, the effect by setting it as the memory | storage element of this invention is considered.

まず、本発明の実施例であるサンプル1と比較例であるサンプル7・サンプル8とを比較すると、サンプル1では、記憶層17とキャップ層(保護層)19との間に酸化物層18を設けているのに対して、サンプル7及びサンプル8では酸化物層を設けないで記憶層の上に直接キャップ層を形成している。
そして、サンプル1においては、300℃・2時間の熱処理後と、380℃・2時間の熱処理後において、抵抗変化率の差がほとんど見られない。
これに対して、比較例のサンプル7及びサンプル8においては、300℃の熱処理後に比較して、380℃の熱処理後では抵抗変化率が大きく低下する。
また、記憶層の材料として、サンプル7ではCoFeを用いており、サンプル8ではCoFeBを用いている。サンプル8の方が抵抗変化率の低下が大きい。
即ち、保護層と記憶層との間に酸化物層を設けないで、なおかつ、記憶層にCoFeB材料を用いている場合には、高温での劣化度合いが顕著である。
First, comparing sample 1 as an example of the present invention with samples 7 and 8 as comparative examples, in sample 1, an oxide layer 18 is provided between a memory layer 17 and a cap layer (protective layer) 19. In contrast, in sample 7 and sample 8, the cap layer is formed directly on the memory layer without providing the oxide layer.
In Sample 1, there is almost no difference in resistance change rate after the heat treatment at 300 ° C. for 2 hours and the heat treatment at 380 ° C. for 2 hours.
On the other hand, in the sample 7 and the sample 8 of the comparative example, the resistance change rate greatly decreases after the heat treatment at 380 ° C. as compared with the heat treatment at 300 ° C.
Further, as a material for the memory layer, sample 7 uses CoFe, and sample 8 uses CoFeB. Sample 8 has a greater decrease in resistance change rate.
That is, when an oxide layer is not provided between the protective layer and the storage layer and a CoFeB material is used for the storage layer, the degree of deterioration at high temperatures is significant.

ここで、サンプル8の試料について、300℃の熱処理後と380℃の熱処理後のそれぞれの記憶素子の積層膜をAES(オージェ電子分光分析装置)で深さ方向の分析を行った。この分析結果から、記憶層中のボロンBが保護層中に拡散し、また保護層に用いているTaが記憶層中に拡散して、これらの界面が明確でなくなることに起因して、抵抗変化率が大きく劣化しているものと推定できる。   Here, the sample 8 was subjected to analysis in the depth direction with the AES (Auger Electron Spectrometer) of the laminated film of each memory element after the heat treatment at 300 ° C. and after the heat treatment at 380 ° C. From this analysis result, boron B in the memory layer diffuses into the protective layer, and Ta used in the protective layer diffuses into the memory layer, and the interface becomes unclear. It can be estimated that the rate of change is greatly degraded.

従って、記憶層とキャップ層(保護層)の間に設けた酸化物層は、拡散を抑止する層として機能していると考えられる。
また、酸化物層を設けているサンプル1と、設けていないサンプル7とでは、記憶素子の面積抵抗値にほとんど差が見られない。
従って、拡散防止用の酸化物層を設けたことによっては、寄生抵抗を生じて記憶素子の抵抗値に悪影響を及ぼすことはほとんどないと考えられる。
Therefore, the oxide layer provided between the memory layer and the cap layer (protective layer) is considered to function as a layer that suppresses diffusion.
Further, there is almost no difference in the area resistance value of the memory element between the sample 1 provided with the oxide layer and the sample 7 not provided with the oxide layer.
Therefore, it is considered that the provision of an oxide layer for preventing diffusion hardly causes a parasitic resistance to adversely affect the resistance value of the memory element.

次に、実施例のサンプル2の結果について述べる。
サンプル2では、トンネルバリアとなる絶縁層16にMgO膜を用いている。
表1のサンプル2の測定結果から、トンネルバリアとなる絶縁層16にMgO膜を用いた場合でも、記憶層17とキャップ層19との間に酸化物層18を設けることにより、記憶層17に用いたCoFeB膜の磁気特性の劣化を防止できていること、並びに、380℃の熱処理後の抵抗変化率が300℃の熱処理後の抵抗変化率よりも向上していることがわかる。このように380℃の熱処理後の抵抗変化率が向上しているのは、高温熱処理により、MgO膜のトンネルバリアとしての特性が向上しているためと考えられる。
このことから、拡散防止用の酸化物層を設ける本発明の構成は、特に高い熱処理温度が必要とされる構成にとって有効であり、例えばMgO膜をトンネルバリアの絶縁層として用いる構成にとって好適である。
Next, the results of Sample 2 of the example will be described.
In Sample 2, an MgO film is used for the insulating layer 16 serving as a tunnel barrier.
From the measurement results of Sample 2 in Table 1, even when an MgO film is used for the insulating layer 16 serving as a tunnel barrier, the oxide layer 18 is provided between the memory layer 17 and the cap layer 19, so that the memory layer 17 It can be seen that the deterioration of the magnetic properties of the used CoFeB film can be prevented and that the resistance change rate after the heat treatment at 380 ° C. is higher than the resistance change rate after the heat treatment at 300 ° C. The reason why the rate of change in resistance after the heat treatment at 380 ° C. is improved is considered to be because the properties as a tunnel barrier of the MgO film are improved by the high-temperature heat treatment.
Therefore, the structure of the present invention in which an oxide layer for preventing diffusion is effective for a structure that requires a particularly high heat treatment temperature, and is suitable for a structure that uses, for example, an MgO film as an insulating layer of a tunnel barrier. .

さらに、実施例のサンプル3では、絶縁層16だけでなく、拡散防止用の酸化物層18にもMgO膜を使用している。
そして、このサンプル3の場合も、拡散防止用の酸化物層18にAlOx膜を用いたサンプル2と同様に、高温熱処理での抵抗変化率の劣化が抑制され、高温熱処理後の抵抗変化率が向上している。
Furthermore, in the sample 3 of the example, the MgO film is used not only for the insulating layer 16 but also for the diffusion preventing oxide layer 18.
In the case of Sample 3 as well, as in Sample 2 in which an AlOx film is used for the diffusion preventing oxide layer 18, the deterioration of the resistance change rate at the high temperature heat treatment is suppressed, and the resistance change rate after the high temperature heat treatment is reduced. It has improved.

ここで、実施例のサンプル1及びサンプル4と、比較例のサンプル9及びサンプル10について、表1に示した300℃及び380℃でそれぞれ熱処理を行った後の試料の磁化方向固定磁界の大きさを測定した。測定結果を表2に示す。   Here, with respect to Sample 1 and Sample 4 of the Example and Sample 9 and Sample 10 of the Comparative Example, the magnitude of the magnetization direction fixed magnetic field of the sample after heat treatment at 300 ° C. and 380 ° C. shown in Table 1 respectively. Was measured. The measurement results are shown in Table 2.

Figure 2006165059
Figure 2006165059

次に、実施例のサンプル1及びサンプル4と、比較例のサンプル9とを比較する。
磁化固定層31の反強磁性層12側の強磁性層13に、サンプル4はCo膜を用いており、サンプル1はCo90原子%Fe10原子%の組成のCoFe膜を用いており、サンプル9はCo75原子%Fe25原子%の組成のCoFe膜を用いている。
即ち、強磁性層13のFe含有量が、サンプル4<サンプル1<サンプル9の順に大きくなっている。
Next, Sample 1 and Sample 4 of the example are compared with Sample 9 of the comparative example.
In the ferromagnetic layer 13 on the antiferromagnetic layer 12 side of the magnetization fixed layer 31, the sample 4 uses a Co film, the sample 1 uses a CoFe film having a composition of Co 90 atomic% Fe 10 atomic%, and the sample 9 includes A CoFe film having a composition of Co 75 atomic% Fe 25 atomic% is used.
That is, the Fe content of the ferromagnetic layer 13 increases in the order of sample 4 <sample 1 <sample 9.

表2の結果に示すように、これらの3つのサンプルでは、磁化固定層31の強磁性層13のFe含有量が増加するに従い、高温熱処理後の固定磁界の大きさが減少していき、磁化固定層31の安定性が劣化することがわかる。
従って、磁化固定層31の反強磁性層12側の強磁性層13に用いるCo−Fe材料の組成を、好ましくはFe成分を20原子%以下とし、より好ましくは10原子%以下とする。
As shown in the results of Table 2, in these three samples, as the Fe content of the ferromagnetic layer 13 of the magnetization fixed layer 31 increases, the magnitude of the fixed magnetic field after the high-temperature heat treatment decreases, and the magnetization It can be seen that the stability of the fixed layer 31 deteriorates.
Therefore, the composition of the Co—Fe material used for the ferromagnetic layer 13 on the antiferromagnetic layer 12 side of the magnetization fixed layer 31 is preferably 20 atomic% or less, more preferably 10 atomic% or less.

次に、実施例のサンプル1と比較例のサンプル10とを比較する。
サンプル10は、磁化固定層31の、トンネルバリアとなる絶縁層16や記憶層17の側にある強磁性層15に、Co90原子%Fe10原子%の組成のCoFe膜を用いている。この強磁性層15は、記憶層17の磁化の向きの基準となるため、参照層とも称される。
そして、表2の結果に示すように、300℃と380℃の両方の熱処理温度において、強磁性層(参照層)15にCoFeB膜を用いているサンプル1と比較して、磁化固定磁界が小さくなっており、磁化固定層31の安定性が劣っている。
従って、磁化固定層31の絶縁層16及び記憶層17側にある強磁性層(参照層)15に用いる磁性材料としては、CoFeよりも、Bを含有させたCoFeBが好適である。
なお、この強磁性層(参照層)15に用いるCoFeB膜の組成比としては、抵抗変化率を大きくして、必要な耐熱性を得る観点から、Feの含有量が20%以上であり、Bの含有量が10〜30%であることが望ましい。
Next, sample 1 of the example and sample 10 of the comparative example are compared.
In the sample 10, a CoFe film having a composition of Co 90 atomic% Fe 10 atomic% is used for the ferromagnetic layer 15 on the side of the insulating layer 16 serving as a tunnel barrier and the storage layer 17 of the magnetization fixed layer 31. The ferromagnetic layer 15 is also referred to as a reference layer because it serves as a reference for the magnetization direction of the storage layer 17.
As shown in the results of Table 2, the magnetization fixed magnetic field is smaller than that of the sample 1 using the CoFeB film for the ferromagnetic layer (reference layer) 15 at both the heat treatment temperatures of 300 ° C. and 380 ° C. Therefore, the stability of the magnetization fixed layer 31 is inferior.
Accordingly, CoFeB containing B is more preferable than CoFe as the magnetic material used for the insulating layer 16 and the ferromagnetic layer (reference layer) 15 on the storage layer 17 side of the fixed magnetization layer 31.
The composition ratio of the CoFeB film used for the ferromagnetic layer (reference layer) 15 is such that the content of Fe is 20% or more from the viewpoint of increasing the resistance change rate and obtaining necessary heat resistance. The content of is desirably 10 to 30%.

次に、実施例のサンプル1と実施例のサンプル5とを比較する。
実施例のサンプル1では、基板側に反強磁性層12及び磁化固定層31を配した構成であるが、サンプル5では、基板側に記憶層17を配しており、サンプル1とは反強磁性層12〜記憶層17の各層が上下逆の構造となっている。
このような上下逆の構造とした場合でも、サンプル5のように下地層11と記憶層17との間に酸化物層18を設けることによっても、表1の結果に示したように、サンプル1と同様な耐熱性向上の効果が得られることがわかる。
即ち、サンプル5のように、記憶層17の上側に磁化固定層31を配置した、いわゆるTopピン型の構成においても、本発明の効果が得られることがわかる。
Next, sample 1 of the example and sample 5 of the example are compared.
In the sample 1 of the embodiment, the antiferromagnetic layer 12 and the magnetization fixed layer 31 are arranged on the substrate side. However, in the sample 5, the memory layer 17 is arranged on the substrate side, which is antiferromagnetic as the sample 1. Each layer of the magnetic layer 12 to the storage layer 17 has an upside down structure.
Even in the case of such an upside down structure, by providing the oxide layer 18 between the base layer 11 and the memory layer 17 as in Sample 5, as shown in the results of Table 1, Sample 1 It can be seen that the same effect of improving heat resistance can be obtained.
That is, it can be seen that the effect of the present invention can be obtained even in a so-called Top pin type configuration in which the magnetization fixed layer 31 is disposed above the storage layer 17 as in the sample 5.

次に、実施例のサンプル6について考察する。
このサンプル6では、トンネルバリアとなる絶縁層16及び拡散防止用の酸化物層18を、スピン注入により記憶層17の磁化の向きを反転させることが可能である領域まで低抵抗化させたものである。
表1に示したサンプル6の結果から、15Ωμmの低抵抗の記憶素子であっても、本発明の効果である耐熱性の向上が見られることがわかる。
Next, sample 6 of the example will be considered.
In this sample 6, the resistance of the insulating layer 16 serving as a tunnel barrier and the oxide layer 18 for preventing diffusion is reduced to a region where the magnetization direction of the memory layer 17 can be reversed by spin injection. is there.
From the results of Sample 6 shown in Table 1, it can be seen that even with a low-resistance memory element of 15 Ωμm 2 , the improvement in heat resistance, which is the effect of the present invention, can be seen.

なお、このような低抵抗のトンネルバリアを有する構造においては、記憶層17と保護層19との間の拡散防止用の酸化物層18はトンネルバリアの絶縁層16よりも抵抗が低くなる条件で形成することが望ましい。   In such a structure having a low resistance tunnel barrier, the diffusion preventing oxide layer 18 between the memory layer 17 and the protective layer 19 has a lower resistance than the tunnel barrier insulating layer 16. It is desirable to form.

次に、実施例のサンプル6と、比較例のサンプル11とを比較する。
サンプル6では、記憶層17とキャップ層(保護層)19との間に酸化物層18を設けているのに対して、サンプル11では酸化物層を設けないで記憶層の上に直接キャップ層を形成している。その他の構成は同様となっている。
Next, the sample 6 of the example and the sample 11 of the comparative example are compared.
In the sample 6, the oxide layer 18 is provided between the memory layer 17 and the cap layer (protective layer) 19, whereas in the sample 11, the cap layer is formed directly on the memory layer without providing the oxide layer. Is forming. Other configurations are the same.

これらサンプル6及びサンプル11について、それぞれの300℃2時間の熱処理後の試料で、磁化反転電流を測定した。
即ち、測定温度を室温25℃として、記憶素子に流す電流量を変化させて、記憶素子の抵抗値の測定を行い、測定結果から抵抗−電流曲線を得た。なお、この抵抗−電流曲線を得る測定は、両極性(プラス方向及びマイナス方向)の電流について行った。
ここで、サンプル11の抵抗−電流曲線の一例を図4に示す。
図4に示すように、ある一定以上の電流が印加されると、高抵抗状態から低抵抗状態へもしくはその逆へと変化し、磁化反転していることが確認できる。
With respect to Sample 6 and Sample 11, the magnetization reversal current was measured for each of the samples after heat treatment at 300 ° C. for 2 hours.
That is, the measurement temperature was set to room temperature 25 ° C., the amount of current flowing through the memory element was changed, the resistance value of the memory element was measured, and a resistance-current curve was obtained from the measurement result. In addition, the measurement which obtains this resistance-current curve was performed about the electric current of both polarities (plus direction and minus direction).
Here, an example of the resistance-current curve of the sample 11 is shown in FIG.
As shown in FIG. 4, when a certain current or more is applied, the state changes from the high resistance state to the low resistance state or vice versa, and it can be confirmed that the magnetization is reversed.

得られた抵抗−電流曲線から、抵抗値が変化する電流値を求めて、これを磁化の向きを反転させる反転電流値とした。両極性の電流について、この反転電流値を求めた。
なお、この反転電流の測定においては、磁化の向きが反転する閾値が、外部磁界によって変化するオフセットを生じる。このオフセットをなくすためには、(1)上述の抵抗変化率の測定において、予め抵抗−外部磁界の関係からRHループのオフセット磁界を求めておき、外部からオフセット分の磁界を印加しながら、反転電流を測定する、(2)外部からの印加磁界を変化させながら、反転電流の外部磁界依存性を測定する、の2つの方法が考えられる。ここでは、(1)の方法を採用して、測定を行った。
また、記憶素子の抵抗値によっても異なるが、およそ1.0〜1.2Vのバイアス電圧で、トンネル絶縁層が絶縁破壊することがわかっているため、印加電流の上限は0.8Vのバイアス電圧がかかる電流値までとした。
そして、+と−の両極性の反転電流値(絶対値)の平均値から、反転電流密度を算出した。
From the obtained resistance-current curve, a current value at which the resistance value changes was obtained, and this was set as an inversion current value for reversing the direction of magnetization. The inversion current value was obtained for the bipolar current.
In the measurement of the reversal current, the threshold value at which the magnetization direction reverses causes an offset that varies depending on the external magnetic field. In order to eliminate this offset, (1) in the above-described measurement of the rate of change in resistance, the offset magnetic field of the RH loop is obtained in advance from the relationship between the resistance and the external magnetic field, and the inversion is performed while applying the offset magnetic field from the outside. Two methods are conceivable: measuring the current, and (2) measuring the dependence of the reversal current on the external magnetic field while changing the applied magnetic field from the outside. Here, the measurement was performed by employing the method (1).
Further, although it depends on the resistance value of the memory element, it is known that the tunnel insulating layer breaks down at a bias voltage of about 1.0 to 1.2 V. Therefore, the upper limit of the applied current is 0.8 V It was set as the current value which applied.
And the reversal current density was computed from the average value of the reversal current value (absolute value) of both polarity of + and-.

また、サンプル6及びサンプル11の、反転電流値及び反転電流密度の測定結果を表3に示す。表3の各測定値は、300℃2時間の熱処理後の試料で、10個の記憶素子を測定した値の平均値である。   Table 3 shows the measurement results of the inversion current value and the inversion current density of Sample 6 and Sample 11. Each measured value in Table 3 is an average value of values obtained by measuring 10 memory elements in a sample after heat treatment at 300 ° C. for 2 hours.

Figure 2006165059
Figure 2006165059

表3の結果から、実施例のサンプル6及び比較例のサンプル11のいずれでもスピン注入による磁化反転が可能であることがわかる。
しかしながら、表1に示した測定結果から、比較例のサンプル11では、熱処理温度を380℃と高くしたときに、抵抗変化率が大きく劣化しており、実施例のサンプル6と比較して、耐熱性が劣っていることがわかる。
From the results of Table 3, it can be seen that magnetization reversal by spin injection is possible in both the sample 6 of the example and the sample 11 of the comparative example.
However, from the measurement results shown in Table 1, in the sample 11 of the comparative example, when the heat treatment temperature was increased to 380 ° C., the resistance change rate was greatly deteriorated, and compared with the sample 6 of the example, the heat resistance was higher. It turns out that the nature is inferior.

以上で述べたように、本発明の構成とすることにより、半導体プロセスで必要とされる350℃以上の高温熱処理に対しても、特性劣化が少ない記憶素子及びメモリを実現することができる。
特に、記憶素子の積層膜中に、MgO等の比較的高い熱処理温度を要求される材料を用いた場合において、抵抗変化率をさらに向上して、なおかつ磁気特性の劣化を少なくすることができる。
As described above, with the structure of the present invention, a memory element and a memory with little deterioration in characteristics can be realized even with a high-temperature heat treatment at 350 ° C. or higher required in a semiconductor process.
In particular, when a material requiring a relatively high heat treatment temperature, such as MgO, is used for the laminated film of the memory element, the resistance change rate can be further improved and the deterioration of the magnetic characteristics can be reduced.

本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。   The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various other configurations can be taken without departing from the gist of the present invention.

本発明の一実施の形態のメモリの概略構成図(斜視図)である。1 is a schematic configuration diagram (perspective view) of a memory according to an embodiment of the present invention. 図1の記憶素子の断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of the memory element in FIG. 1. 本発明の他の実施の形態の記憶素子の断面図である。It is sectional drawing of the memory element of other embodiment of this invention. サンプル11の記憶素子の電流−抵抗特性を示す図である。6 is a diagram showing current-resistance characteristics of a memory element of Sample 11. FIG. スピン注入による磁化反転を利用したメモリの概略構成図(斜視図)である。It is a schematic block diagram (perspective view) of a memory using magnetization reversal by spin injection. 図5のメモリの断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of the memory of FIG. 5. 従来のMRAMの構成を模式的に示した斜視図である。It is the perspective view which showed the structure of the conventional MRAM typically.

符号の説明Explanation of symbols

3,30 記憶素子、11 下地層、12 反強磁性層、13,15 強磁性層、14 非磁性層、16 絶縁層、17 記憶層、18 酸化物層、19 キャップ層、31 磁化固定層   3,30 Memory element, 11 Underlayer, 12 Antiferromagnetic layer, 13,15 Ferromagnetic layer, 14 Nonmagnetic layer, 16 Insulating layer, 17 Memory layer, 18 Oxide layer, 19 Cap layer, 31 Magnetization fixed layer

Claims (10)

情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有し、
前記記憶層に対して、トンネルバリアとなる絶縁層を介して磁化固定層が設けられ、
前記記憶層は、酸化物層を介して、下地層或いは上層の保護層に接している
ことを特徴とする記憶素子。
It has a storage layer that holds information according to the magnetization state of the magnetic material,
For the storage layer, a magnetization fixed layer is provided via an insulating layer serving as a tunnel barrier,
The memory element, wherein the memory layer is in contact with a base layer or an upper protective layer through an oxide layer.
前記記憶層は、CoFeBから成ることを特徴とする請求項1に記載の記憶素子。   The memory element according to claim 1, wherein the memory layer is made of CoFeB. 前記磁化固定層において、前記記憶層とは反対の側に反強磁性層が設けられ、前記反強磁性層に接する強磁性層がCoFe層であり、かつ前記CoFe層のFe含有量が10原子%以下であることを特徴とする請求項1に記載の記憶素子。   In the magnetization fixed layer, an antiferromagnetic layer is provided on the side opposite to the storage layer, the ferromagnetic layer in contact with the antiferromagnetic layer is a CoFe layer, and the Fe content of the CoFe layer is 10 atoms. The memory element according to claim 1, wherein the storage element is equal to or less than%. 前記磁化固定層において、前記絶縁層に接する強磁性層がCoFeB層であることを特徴とする請求項1に記載の記憶素子。   The memory element according to claim 1, wherein in the magnetization fixed layer, the ferromagnetic layer in contact with the insulating layer is a CoFeB layer. 前記絶縁層に接する強磁性層の前記CoFeB層において、Fe含有量が20原子%以上であり、B含有量が10〜30原子%であることを特徴とする請求項4に記載の記憶素子。   5. The memory element according to claim 4, wherein the CoFeB layer of the ferromagnetic layer in contact with the insulating layer has an Fe content of 20 atomic% or more and a B content of 10 to 30 atomic%. 積層方向に電流を流すことにより、前記記憶層の磁化の向きが変化して、前記記憶層に対して情報の記録が行われることを特徴とする請求項1に記載の記憶素子。   The memory element according to claim 1, wherein when a current is passed in a stacking direction, a magnetization direction of the memory layer is changed, and information is recorded on the memory layer. 前記磁化固定層が、複数層の強磁性層が非磁性層を介して積層された構造を有することを特徴とする請求項1に記載の記憶素子。   The memory element according to claim 1, wherein the magnetization fixed layer has a structure in which a plurality of ferromagnetic layers are stacked with a nonmagnetic layer interposed therebetween. 前記磁化固定層が、複数層の強磁性層が非磁性層を介して積層された構造を有し、かつ前記非磁性層の下に接する強磁性層がCoFe層であることを特徴とする請求項1に記載の記憶素子。   The magnetization fixed layer has a structure in which a plurality of ferromagnetic layers are laminated via a nonmagnetic layer, and the ferromagnetic layer in contact with the nonmagnetic layer is a CoFe layer. Item 2. The memory element according to Item 1. 情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有する記憶素子と、
互いに交差する2種類の配線とを備え、
前記記憶素子は、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有し、前記記憶層に対して、トンネルバリアとなる絶縁層を介して磁化固定層が設けられ、前記記憶層が、酸化物層を介して、下地層或いは上層の保護層に接している構成であり、
前記2種類の配線の交点付近かつ前記2種類の配線の間に、前記記憶素子が配置されていることを特徴とするメモリ。
A storage element having a storage layer for retaining information by the magnetization state of the magnetic material;
Two types of wiring intersecting each other,
The storage element includes a storage layer that retains information according to the magnetization state of a magnetic material, and a fixed magnetization layer is provided to the storage layer via an insulating layer that serves as a tunnel barrier. The structure is in contact with the underlying layer or the upper protective layer through the physical layer,
A memory characterized in that the storage element is arranged near an intersection of the two types of wiring and between the two types of wiring.
前記記憶素子は、積層方向に電流を流すことにより、前記記憶層の磁化の向きが変化して、前記記憶層に対して情報の記録が行われる構成であり、前記2種類の配線を通じて、前記記憶素子に前記積層方向の電流が流れることを特徴とする請求項9に記載のメモリ。
The storage element has a configuration in which the direction of magnetization of the storage layer is changed by passing a current in the stacking direction, and information is recorded on the storage layer. The memory according to claim 9, wherein a current in the stacking direction flows in a memory element.
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