CN104170074A - 磁阻效应元件及磁存储器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供在膜面内进行垂直磁化记录的记录层的热稳定性高的磁阻效应元件及使用了该磁阻效应元件的磁存储器。所述磁阻效应元件具备包含磁化方向不变的第一强磁性层(106)、磁化方向可变的第二强磁性层(109)、设置在第一强磁性层(106)和第二强磁性层(109)之间的第一非磁性层(110)、与第一强磁性层及第二强磁性层连接的电流供给端子(201、202)、设置在第二强磁性层(109)的与第一非磁性层(110)相反侧的面上的非磁耦合层(203)、设置在非磁耦合层(203)的与第二强磁性层(109)的相反侧的面上的磁化方向可变的第三强磁性层(204)、设置在第三强磁性层(204)的与所述非磁耦合层(203)相反侧面上的第二非磁性层(205)；所述第二强磁性层(109)与所述第三强磁性层(204)磁化方向相同，通过电流进行自旋注入磁化反转。

Description

磁阻效应元件及磁存储器
技术区域
本发明涉及一种磁阻效应元件及具有该磁阻效应元件的磁存储器(Magnetic Random Access Memory：MRAM)。
背景技术
对具有现有的磁阻效应元件的磁存储器(称为MRAM)进行说明。
图24是表示具有现有的磁阻效应元件的磁存储器的存储单元的附图。如该图所示，磁存储单元2100成为使磁阻效应元件2101与选择性晶体管2102串联电连接的结构。选择性晶体管2102分别为：其源极与源极线2103电连接；其漏极通过磁阻效应元件2101与位线2104电连接；其栅极与字线2105电连接。
磁阻效应元件2101以在第一强磁性层2106与第二强磁性层2109之间夹杂第一非磁性层2110的三层结构为基础结构。磁阻效应元件的电阻值在使第一强磁性层2106与第二强磁性层2109的磁化平行配置的情况下变小，在逆平行配置的情况下变大。
在磁存储器的存储单元2100中，将这两个电阻状态分配为位信息“0”、“1”。这里，第一强磁性层2106的磁化方向是固定的，第二强磁性层2109的磁化通过由选择性晶体管供给的电流，由于自旋转移力矩(スピントランスファトルク)而被迫反转。电流在图24中由下向上流动的情况下，形成逆平行磁化配置，在电流向逆方向流动的情况下，形成平行配置。其结果，可通过由选择性晶体管2102供给的电流的方向，将第一强磁性层2106和第二强磁性层2109的磁化方向配置变更为平行配置或逆平行配置，随之磁阻效应元件2101的电阻值发生变化，由此可写入位信息。
上述例子中，将第一强磁性层2106作为固定磁化的参照层(也被称为固定层)、将第二强磁性层2109作为磁化方向可变的记录层(也被称为自由层)进行叙述，但即便是相反的结构也起MRAM作用。
为了实现MRAM，作为存储元件的磁阻效应元件2101需要同时满足以下三个特性：具有100％以上的磁阻变化率(MR比)；形成记录层的第二强磁性层2109通过比选择性晶体管的驱动电流低的写入电流(设选择性晶体管的栅极宽度为Fnm，则驱动电流约为FμA)使磁化反转；作为记录层的第二强磁性层2109具有70以上的热稳定系数(E/KBT，E为能垒，KB为玻尔兹曼常数，T为绝对温度(K))。
作为用于得到高磁阻变化率的磁阻效应元件2101的膜结构，周知有如下结构：第一强磁性层2106及第二强磁性层2109由具有含Fe、Co、Ni等3d过渡金属中任意一种元素的bcc结构的材料构成，第一非磁性层2110中使用MgO的结构。通常，如果使用这样的材料制造磁阻效应元件，由于与元件尺寸相比，第一强磁性层2106和第二强磁性层2109的膜厚薄，在膜面垂直方向上大的退磁磁场发生作用，结果使第一强磁性层2106和第二强磁性层2109的磁化朝向与膜面平行的方向。
在磁化朝向与膜面平行的方向的情况下，为了使用自旋转移力矩使磁化的方向反转，需要跨越存在于膜面垂直方向的大的退磁磁场引起的能垒，存在转换电流变大这样的问题。
作为解决该问题的方法，使第一强磁性层2106和第二强磁性层2109的磁化方向朝向垂直方向。这种情况下，在使用了自旋转移力矩进行磁化反转时，由自旋转移力矩引起的磁化反转时的能垒因退磁磁场而减小，因此能够使转换电流降低。
图25是表示非专利文献1公布的磁阻效应元件2101的结构的剖视图。如该图所示，磁阻效应元件2101由底层2201、由形成在底层2201上的第一强磁性层2106构成的参照层、形成在参照层上的第一非磁性层2110、由形成在第一非磁性层2110上的第二强磁性层2109构成的记录层、形成在记录层上的覆盖层2202所构成。
根据非专利文献1，在磁阻效应元件2101中，在第一强磁性层2106和第二强磁性层2109中使用CoFeB，在第一非磁性层2110中使用MgO的结构中，通过使CoFeB的膜厚减薄，并利用在与第一非磁性层2110的MgO层之间产生的界面磁各向异性，可使磁化朝向与膜面垂直的方向。
通过上述结构，非专利文献1公布了在维持100％以上的高磁阻变化率(也称为MR比)不变，在直径40nm的器件上可实现热稳定系数40和低至49μA的输入电流。但是，热稳定系数40这一数值，虽然是可将1位信息保持10年之久的充分数值，但残留了无法达到作为用于实现MRAM所需数值的热稳定系数70这样的技术问题。
图26是表示专利文献1所公开的磁阻效应元件2300的结构的剖视图。如该图所示，专利文献1的图9所公开的磁阻效应元件2300由底层2503、形成在底层2503上的固定层2310、形成在固定层2310上的非磁性层2370、由形成在非磁性层2370上的强磁性层构成的记录层2380、形成在记录层2380上的覆盖层2504所构成。其公开了固定层2310由非磁性层2311、强磁性层2312、非磁性层2313、强磁性层2314的五层结构构成，并通过使固定层的磁化方向垂直于膜面方向而稳定化，即提高热稳定性。固定层2310内的非磁性层2313使强磁性层2312与强磁性层2312之间发生磁耦合，作为具体的材料可例举MgO、Al2O3、SiO2等绝缘体，或Ru、Rh、V、Ir、Os、Re组成的金属。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利公开2011-258596号公报
非专利文献
非专利文献1：S.Ikeda,K.Miura,H.Yamamoto,K.Mizunuma,H.D.Gan,M.Endo,S.Kanai,F.Matsukura,and H.Ohno,Nature Mater.,9,721,(2010)；
非专利文献2：M.Yamanouchi,R.Koizumi,S.Ikeda,H.Sato,K.Mizunuma,K.Miura,H.D.Gan,F.Matsukura,and H.Ohno,J.Appl.Phys.109,07C712,(2011)；
非专利文献3：D.C.Worledge,G.Hu,David W.Abraham,J.Z.Sun,P.L.Trouilloud,J.Nowak,S.Brown,M.C.Gaidis,E.J.O'Sullivan,andR.P.Robertazzi,Appl.Phys.Lett.98,022501,(2011)；
非专利文献4：S.S.P.Parkin,Phys.Rev.Lett.67,3598,(1991)；
非专利文献5：H.X.Yang,M.Chshiev,B.Dieny,J.H.Lee,A.Manchon,K.H.Shin,Phys.Rev.B.84,054401,(2011)；
非专利文献6：D.Abraham,D.C.Worledge,56th Magnetism andMagnetic Materials,AF-01,AZ,USA,(2011)。
发明内容
(一)要解决的技术问题
如以上说明所述，在进行垂直磁化记录的磁阻效应元件中，存在着得不到使记录层的热稳定性系数增大的记录层这样的技术问题。
鉴于上述技术问题，本发明的目的在于提供一种进行垂直磁化记录的，记录层的热稳定性高的磁阻效应元件及利用了该磁阻效应元件的磁存储器。
(二)技术方案
本发明人等进行了深入研究，结果发现，如果将垂直磁化记录层设置成由第二强磁性层、非磁性层及第三强磁性层构成的层结构，使第二强磁性层和第三强磁性层为例如CoFeB合金，使非磁耦合层由厚度充分薄的Ta等构成，则不会减弱记录层的垂直磁各向异性能量密度，与现有技术相比可大幅提高热稳定性，进而完成了本发明。
即，本发明的磁阻效应元件的特征在于，其具备：包含磁化方向不变的第一强磁性层的固定层、磁化方向可变的第二强磁性层、与所述第二强磁性层邻接设置的第一非磁性层、所述第二强磁性层与所述第一非磁性层相对的另一侧的面邻接设置的非磁耦合层、所述非磁耦合层与所述第二强磁性层相对的另一侧的面邻接设置的磁化方向可变的第三强磁性层、所述第三强磁性层与所述非磁耦合层相对的另一侧的面邻接设置的第二非磁性层；所述第二强磁性层与所述第三强磁性层的磁化方向相同。
根据本发明所述的磁阻效应元件，通过将自由层设置为由第二强磁性层、非磁耦合层及第三强磁性层构成的三层结构，并使用Ta等作为非磁耦合层，可在维持垂直磁化的同时增加记录层的膜厚，可大幅增加热稳定系数。
在本发明的磁阻效应元件中，所述非磁耦合层优选由含有Ta、Hf、Zr、Nb、Mo、Ti中至少一种的金属构成。尤其优选所述非磁耦合层为含有Ta的金属。这种情况下，通过进行热处理，使非磁耦合层从第二强磁性层及第三强磁性层吸收B或C等添加材料，能够促进第二强磁性层及第三强磁性层的结晶化。另外，非磁耦合层不会减弱第二强磁性层及第三强磁性层的垂直磁各向异性能量密度。此外，本发明人等通过试验确认了通过在非磁耦合层中使用Ta可获得这些效果。另外，理论性研究可知，Hf、Zr、Nb、Mo、Ti也可获得与Ta相同的效果。
在本发明的磁阻效应元件中，所述第二强磁性层及所述第三强磁性层优选含有Fe、Co、Ni中的至少一种，且含有B、C、N、O、F、Si、Al、P、S中的至少一种。尤其优选所述第二强磁性层及所述第三强磁性层含有Co、Fe、B，具体如优选由Co-Fe-B合金等构成。
在本发明的磁阻效应元件中，所述第一非磁性层及所述第二非磁性层优选含有N、O、C中的至少一种。尤其优选所述第一非磁性层及所述第二非磁性层由氧化镁构成。具体由Mg-O、Al-O、Si-O等构成。
另外，优选地，第二非磁性层的膜厚为0.5～2nm，第一非磁性层的膜厚比第二非磁性层的膜厚薄。从本发明的磁阻效应元件读出信息时，使用磁阻效应。第二非磁性层影响该磁阻效应的电阻值。因此，希望其膜厚为可获得良好读出特性的膜厚。例如，在第一非磁性层中使用Mg-O的情况下，其隧道阻力相对于Mg-O层的膜厚呈指数函数变化。为了得到良好的读出特性，磁阻效应元件的隧道阻力设计成大约0.5～100kΩ。得到这样的隧道阻力的Mg-O层的膜厚根据元件的尺寸不同而不同，但大约为0.5～2nm左右。另外，第一非磁性层具有仅能够提供第二强磁性层垂直磁各向异性的膜厚即可。这可通过例如在第一非磁性层中使用Mg-O层的情况下以大约0.5nm以上的膜厚来实现。
本发明的磁阻效应元件优选所述非磁耦合层的膜厚为0.2nm以上不足1.0nm。尤其优选所述非磁耦合层的膜厚为0.2nm以上不足0.6nm。如果非磁耦合层的膜厚过薄，则从第二强磁性层及第三强磁性层吸收添加元素的效果消失，第二强磁性层及第三强磁性层的易磁化轴难以朝向垂直方向。另一方面，如果非磁耦合层的膜厚过厚，则第二强磁性层及第三强磁性层独立运转，得不到提高热稳定性的效果。由此可决定非磁耦合层的膜厚的上限及下限。
本发明人等对于非磁耦合层中使用Ta的情况下，将Ta层的膜厚由0nm展开至1.0nm，并制作元件，通过试验考察了第二强磁性层及第三强磁性层相对于磁化状态、外部磁场或电流的运转。其结果，确认了Ta的膜厚不足0.2nm时，第二强磁性层及第三强磁性层未形成垂直易磁化轴，另外，Ta的膜厚为0.6nm以上时，第二强磁性层及第三强磁性层虽然形成了垂直磁化，但耦合较弱，相互独立地运转。另外，该膜厚范围，可根据非磁耦合层中所用的材料、第二强磁性层及第三强磁性层中所用的材料、膜厚及磁阻效应元件成膜后的热处理温度进行适宜变更。
本发明的磁阻效应元件优选所述第二强磁性层及所述第三强磁性层的膜厚为0.8nm以上60nm以下。关于第二强磁性层与第三强磁性层之间的总膜厚度的下限，只要在第二强磁性层与第三强磁性层中垂直方向为易磁化轴，则无论多薄都可以，理论上膜厚的下限为0。但事实上如果膜厚减小，则第二强磁性层及第三强磁性层逐渐变成顺磁性运转。由该强磁性向顺磁性过渡的膜厚，强烈依赖于薄膜的成膜或退火的条件，但大概为0.4～0.9nm程度。因此，第二强磁性层与第三强磁性层的总膜厚优选为0.8nm以上。另外，为了提高热稳定性、工作稳定性及制造容易性，需要加厚这些强磁性层的总膜厚，因此第二强磁性层与第三强磁性层的总膜厚更加优选为2nm以上。
优选地，本发明的磁阻效应元件具有与所述第一强磁性层连接的第一电流端子和与所述第二强磁性层连接的第二电流端子，所述第一强磁性层相对于所述第一非磁性层，与所述第二强磁性层相反侧的面邻接设置，所述第二强磁性层及所述第三强磁性层通过电流进行自旋注入磁化反转。
这种情况下，本发明的磁存储器的特征在于，其具有：相互平行配置的多条源极线、在与所述源极线交叉的方向上相互平行配置的多条字线、与所述源极线平行配置的多条位线、在所述位线与所述字线交叉的部分设置的本发明的磁阻效应元件、向所述磁阻效应元件的膜面垂直方向施加电流的电路；所述磁阻效应元件的一端与选择性晶体管的源极/漏极电连接；所述磁阻效应元件的另一端与所述位线电连接，所述字线与所述选择性晶体管的栅极电连接，所述源极线与所述选择性晶体管的源极/漏极电连接。
另外，本发明的磁阻效应元件具有第一电流端子、第二电流端子及第三电流端子；所述第二强磁性层及所述第三强磁性层具有在相互相反的方向上磁化的第一固定磁化区域及第二固定磁化区域、磁化方向可变的自由磁化区域；所述固定层可以与所述第一电流端子连接，所述第一固定磁化区域可以与所述第二电流端子连接，所述第二固定磁化区域可以与第三电流端子连接。
在这种情况下，本发明的磁存储器的特征在于，其具有：相互平行配置的多条第一位线和第二位线、在与所述第一位线及第二位线交叉的方向上相互平行配置的多条字线、在与所述第一位线及第二位线与所述字线交叉部分上配置的本发明的磁阻效应元件、向所述磁阻效应元件的膜面内及膜面垂直方向施加电流的电路；所述第二电流端子与第一选择性晶体管的源极/漏极电连接，所述第三电流端子与第二选择性晶体管的源极/漏极电连接，所述第一选择性晶体管的另一端的源极/漏极与所述第一位线连接，所述第二选择性晶体管的另一端的源极/漏极与所述第二位线连接，所述第一选择性晶体管及所述第二选择性晶体管的栅极与所述字线连接。
在具有该第一～第三电流端子的情况下，由于本发明的磁阻效应元件是将层积了强磁性层和非磁性层的层积结构适用于三端子畴壁运动型磁存储器而形成的，因此同时具有小的写入电流及大的读出信号。另外，第一自由磁化层至少具有依次层积第一非磁性层、第二强磁性层、非磁耦合层、第三强磁性层而成的层积结构，由于可增大第二强磁性层及第三强磁性层的总膜厚度，因此可迅速提高数据的保持性，并可提高热稳定性、工作稳定性及制造容易性。
另外，在这种情况下，优选通过第二强磁性层与第一非磁性层之间的边界的第一界面，及第三强磁性层与第二非磁性层之间的边界的第二界面上的界面磁各向异性，使第二强磁性层及第三强磁性层的易磁化轴形成于垂直基板方向的结构。在这种情况下，第二强磁性层、第三强磁性层和第二非磁性层、第一非磁性层的组合，需要由在第一界面及第二界面表现出垂直基板方向的界面磁各向异性这样的材料组合而成。另外，需要使第二强磁性层与第三强磁性层之间为磁耦合，因此优选非磁耦合层的膜厚充分薄。另外，第一非磁性层、第二强磁性层、非磁耦合层、第三强磁性层中的任一层无需仅由单一材料构成，可以是多个不同的材料层积的结构。
本发明的磁存储器，可向本发明的磁阻效应元件写入信息，以及从本发明的磁阻效应元件读出信息。本发明的磁存储器，由于使用了本发明的磁阻效应元件，因此具有小的写入电流及大的读出信号，热稳定性、工作稳定性及制造容易性高。
另外，本发明的磁阻效应元件中，所述固定层由第一强磁性层、第二非磁耦合层及第四强磁性层构成，第四强磁性层的磁化方向可以与第一强磁性层相同。另外，所述固定层由第一强磁性层、第三非磁耦合层及第五强磁性层构成，第五强磁性层的磁化方向可以与第一强磁性层相反。另外，在第一强磁性层与第三非磁耦合层之间，可以进一步具备第四非磁性层、磁化方向不变且其磁化方向与第一强磁性层的磁化方向相同的第六强磁性层。另外，第三非磁耦合层可以是含有Ru、Rh、Ir、Cr中任一种的金属。另外，第二及第四非磁耦合层可以是含有Ta、Cr、V中任一种的合金。另外，第四、第五及第六强磁性层可以是含有Co、Fe、Ni中至少一种的金属与含有Pt或Pd的金属交替层积而成的层积膜。
另外，在本发明的磁阻效应元件中，可以配置所述固定层的至少一部分，使其与沿着所述第一固定磁化区域及所述第二固定磁化区域的磁化方向延长所述自由磁化区域的区域重叠。在这种情况下，由于电流在穿透固定层、第二非磁性层与自由磁化区域的方向上流动，因此能够利用由自由磁化区域的磁化与固定层的磁化之间的相对角而产生的磁阻效应，来读出存储在自由磁化区域内的记忆信息。固定层的至少一部分区域相对于自由磁化区域重叠即可，其大小也可以比自由磁化区域大。
(三)有益效果
根据本发明，可以提供一种进行垂直磁化存储的记录层的热稳定性高的磁阻效应元件及使用了该磁阻效应元件的磁存储器。
附图说明
图1为表示本发明的第一实施方式的磁阻效应元件的剖面图。
图2为表示本发明的第一实施方式的磁阻效应元件的自由层的磁化的示意图。
图3(a)～(c)表示使用Ta、Ru、Pd作为非磁耦合层的材料的情况下的磁化曲线的图，图3(d)及(e)表示使用Ta作为非磁耦合层的材料，并改变其层厚的情况下的磁化曲线的图。
图4(a)～(c)表示实施例2的磁阻效应元件因施加外部磁场引起的磁阻效应的图。
图5为将本发明的第一实施方式的磁阻效应元件与图24所示的现有结构的磁阻效应元件进行热稳定性比较的图。
图6为表示对图1所示结构的磁阻效应元件使用电流(自旋转移力矩)使其记录层的磁化反转的结果的图。
图7为表示本发明的第一实施方式的磁阻效应元件的变形例1的剖面图。
图8为表示本发明的第一实施方式的磁阻效应元件的变形例2的剖面图。
图9为表示本发明的第一实施方式的磁阻效应元件的变形例3的剖面图。
图10为表示本发明的第一实施方式的磁阻效应元件的变形例4的剖面图。
图11为表示本发明的第一实施方式的磁阻效应元件的变形例5的剖面图。
图12为表示本发明的第一实施方式的磁阻效应元件的变形例6的剖面图。
图13为表示本发明的第一实施方式的磁阻效应元件的变形例7的剖面图。
图14为表示将本发明的第一实施方式的磁阻效应元件为记忆元件的，本发明的第一实施方式的磁存储器(MRAM)的结构的方框图。
图15为表示本发明的第二实施方式的磁阻效应元件的(a)立体图、(b)剖面图、(c)第一自由磁化化的俯视图。
图16为表示图15所示的磁阻效应元件的第一自由磁化层与第二非磁性层之间的层积结构的剖面图。
图17(a)为表示图15所示的磁阻效应元件的第一自由磁化层与固定磁化层之间的位置关系的剖面图，图17(b)为表示图15所示的磁阻效应元件的变形例的剖面图。
图18(a)为表示图15所示的磁阻效应元件的，作为存储信息存储“0”的状态的磁化结构的剖面图，图18(b)为表示图15所示的磁阻效应元件的，作为存储信息存储“1”的状态的磁化结构的剖面图。
图19(a)为表示图15所示的磁阻效应元件的，作为存储信息写入“1”时的工作方法的剖面图，图19(b)为表示图15所示的磁阻效应元件的，作为存储信息写入“0”时的工作方法的剖面图。
图20(a)为表示图15所示的磁阻效应元件的，作为存储信息读出“0”时的工作方法的剖面图，图20(b)为表示图15所示的磁阻效应元件的，作为存储信息读出“1”时的工作方法的剖面图。
图21表示本发明的第二实施方式的磁阻效应元件的变形例8的(a)立体图、(b)x-z剖视图、(c)y-z剖视图。
图22为表示本发明的第二实施方式的磁存储器的电路方框图。
图23为表示图22所示的磁存储器的磁存储单元的电路图。
图24为示意性地表示具有现有磁阻效应元件的磁存储器的存储单元的剖面图。
图25为表示非专利文献1公布的磁阻效应元件的结构的剖面图。
图26为表示专利文献1所公开的的磁阻效应元件的结构的剖面图。
具体实施方式
以下，参照附图的同时，基于几个实施方式对本发明进行具体说明。
(本发明的第一实施方式的磁阻效应元件)
图1为表示本发明的第一实施方式的磁阻效应元件101的结构的剖面图，图2为表示本发明的磁阻效应元件101的自由层的磁化的示意图。
如图1所示，磁阻效应元件101包含底层201、由与底层201邻接形成的第一强磁性层106构成且膜面内的磁化方向为垂直的固定层、与固定层邻接而形成的第一非磁性层110、与第一非磁性层110邻接而形成的由第二强磁性层109、非磁耦合层203及第三强磁性层204构成的自由层、与第三强磁性层204邻接形成的第二非磁性层205、在第二非磁性层205上形成的覆盖层202而构成。相对于磁化可变的自由层，固定磁化的固定层也可被称为参照层。另外，作为磁化方向可变的自由层，由于其可根据其磁化方向进行记录，因此也被称为记录层。
作为固定层(参照层)的第一强磁性层106的磁化方向被固定。
作为磁化方向可变的自由层(记录层)的第二强磁性层109和第三强磁性层204的材料，由包含Co、Fe、Ni等3d强磁性过渡金属元素中的至少一种、并含有添加材料B、C等材料中至少一种的材料构成。
另外，底层201和覆盖层202也可被称为电极或电极层，成为磁阻效应元件101的电流供给端子。底层201也可以形成在基板上。作为这样的基板，可以使用MgO基板、Si基板、带热氧化膜的Si基板等。
作为底层201，候选表面粗糙度小且在所述第一强磁性层106中于膜面垂直方向可实现bcc<001>取向的材料。具体地，可以使用Ta，或Ta与Ru交替层积的Ta/Ru/Ta层积膜。在覆盖层202中，具体可使用Ta等。
如图2(a)所示，在上述自由层中，第二强磁性层109与第三强磁性层204的磁化方向相同且为垂直于面的方向，即第二强磁性层109的面的垂直方向，在图中箭头(↑)的纸面垂直方向。该第二强磁性层109与第三强磁性层204的磁化方向，如图2(a)所示，可通过反转流通在由底层201与覆盖层202形成的电极上的电流方向而发生改变(参见图2(b))。即，上述自由层为能够通过自旋注入而进行磁化反转的层。关于磁化方向，有时也将垂直于面的方向称为垂直磁化方向，将面内的方向称为水平磁化方向。
第一非磁性层110的材料为MgO、Al2O3、SiO2等含有氧元素的化合物。第一非磁性层110希望是通过与上述第一强磁性层106及第二强磁性层109的材料的组合而使磁阻变化率变大，且表现出界面磁各向异性的材料。
第二非磁性层205希望是在与记录层中的第三强磁性层204之间表现出界面磁各向异性的材料，可以例举MgO、Al2O3、SiO2等含有氧元素的化合物。
作为记录层中的非磁耦合层203的材料，为可通过热处理从第二强磁性层109、第三强磁性层204中吸收B、C等添加材料的材料，且重要的是不会减弱第二强磁性层109和第三强磁性层204的垂直磁各向异性能量密度。已知作为非磁耦合层203的非磁性层的材料，可例举Ta、Hf、W、Zr、Nb、Mo、Ti等，尤其希望是Ta。
可以在第二强磁性层109和第三强磁性层204中使用由CoFeB组成的三个原子构成的强磁性体。在这种情况下，将CoFeB的各原子组成表示为(Co100-xFex)100-YBY的情况下，以原子个数比计，B的组成Y优选在15～25at％的范围，Fe的组成X优选20at％以上的区域。另外，第二强磁性层109与第三强磁性层204的膜厚的总量需要设定在能够维持垂直磁化的区域。
接着，对能够维持记录层垂直磁化的厚度进行说明。
通过下述式(1)表示具有两个产生界面磁各向异性界面的强磁性体的磁性能量。
Keff＝2Ki/t-Ms 2/2μ0  (1)
有效的磁各向异性能量密度的符号为负的情况下，面内形成易磁化轴，为正的情况下，垂直于面的方向形成易磁化轴。
因此，如果使Keff＝0，可得到与易磁化轴由面内方向变成垂直方向时的临界膜厚(tth)相关的下述式(2)。
tth＝2Ki/(Ms 2/2μ0)  (2)
通过式(2)，可知Ki的增加和Ms的减少对增加临界膜厚起到效果。
根据非专利文献5，以理想的Fe/MgO结构得到的Ki为3mJ/m2左右。另一方面，关于Ms，在非专利文献6中，使用了形成为0.38T的CoFeB组成。如果将以上值代入(2)式中，则临界膜厚tth为60nm。因此，第二强磁性层109与第三强磁性层204的膜厚总量设计为60nm以下。
记录层中的非磁耦合层203的厚度，设定为向第二强磁性层209与第三强磁性层204之间供给充分大小的磁耦合的膜厚。
作为非磁耦合层203，也对Ru、Pd进行讨论。
图3(a)～(e)为使用Ta、Ru、Pd作为非磁耦合层203的材料时的磁化曲线。图3中，表示了以图1所示磁阻效应元件101的结构，并使用Ta、Ru、Pd作为非磁耦合层203的材料且在第二强磁性层109及第三强磁性层204中使用CoFeB的层积膜的磁化曲线。图3的横轴为施加磁场μ0H(T)、纵轴为磁化(任意刻度)。图3(a)～(c)为使用Ta、Ru、Pd作为非磁耦合层203的材料，并使其层厚为0.4nm的情况，实线为垂直方向的磁化曲线，虚线为面内方向的磁化曲线。图3(d)及(e)为使用Ta作为非磁耦合层203的材料，并使其层厚分别为0.2nm及0.4nm的情况，黑色的实线为垂直方向的磁化曲线，灰色的实线为面内方向的磁化曲线。
如图3所示可知，在使用Ta作为非磁耦合层203，并使其层厚为0.4nm的情况下，易磁化轴朝向垂直于面的方向，相对于此，使用Ru、Pd作为非磁耦合层203的情况下，易磁化轴朝向面内方向。即，可知为了将CoFeB层的易磁化轴维持在垂直于面的方向，希望使用Ta作为非磁耦合层203并使其层厚为0.3～0.5nm程度。
本发明人等，为了探索发挥非磁耦合层作用的材料，在Ta/MgO/CoFeB/覆盖层或Ta/底层/CoFeB/MgO/Ta这样的层积结构中，将各种材料用于近地材料或覆盖层202，考察了CoFeB层的磁各向异性能量密度的基底材料(覆盖层材料)的依赖性。结果确认了在使用Rh覆盖层的情况下，与使用Ta覆盖层的情况相比，垂直磁各向异性能量减弱。关于V，虽然与Ta同族，但有公布其与使用Ta的情况相比，垂直磁各向异性能量密度小(非专利文献6)，另外本发明人等的小组也确认了同样的试验事实。
(实施例1)
本发明的第一实施方式的磁阻效应元件101，可通过如下进行制作。
首先，在带有氧化膜的Si基板上，以规定厚度依次沉积底层201、固定层106、第一非磁性层110、记录层、第二非磁性层205、覆盖层202，所述记录层由第二强磁性层109、非磁耦合层203及第三强磁性层204构成。作为自由层或固定层106的强磁性体材料，可以使用由CoFeB等构成的合金。作为自由层中的非磁耦合层203，可以使用上述Ta等。作为第一非磁性层110及第二非磁性层205，可以使用MgO。作为这些各层的沉积方法，可以使用作为物理蒸镀法的溅射法、分子束外延生长法(MBE法)等。
接着，在电极形成工序中，可通过掩膜工序或蚀刻工序，将磁阻效应元件101的图案形成在底层201及覆盖层202上，制造磁阻效应元件101。
由以上结果可知，根据本发明，通过使用Ta作为非磁耦合层203来制造图1所示的结构，能够得到表现出高热稳定性的磁阻效应元件101。
为了使用本发明的构造制造热稳定性高的记录层，需要以下条件。
(1)由Ta等构成的非磁耦合层203使第二强磁性层109与第三强磁性层204之间产生磁耦合。
(2)在进行热处理后，非磁耦合层203能够吸收作为记录层材料的B或C，从而使在第二强磁性层109与非磁性层110之间，及第三强磁性层204与第二非磁性层205之间产生的界面磁各向异性增加。
(3)不会减弱记录层内的第二强磁性层109及第三强磁性层204的垂直磁各向异性能量密度。
(4)为了在记录层内的第二强磁性层109与第三强磁性层204之间得到磁耦合，能够使非磁耦合层203的膜厚充分薄。
(实施例2)
在实施例2中，承接实施例1的结果，以使非磁耦合层203的材料为Ta，且第一强磁性层(固定层)106、记录层的第二强磁性层109及第三强磁性层204的磁性层的材料为CoFeB，第一非磁性层110和第二非磁性层205的材料为MgO的情况为例，进行说明。
图4(a)～(c)是表示实施例2的磁阻效应元件101由于施加外部磁场而引起的磁阻效应的图。横轴为对磁阻效应元件101施加的磁场μ0H(mT)，纵轴为磁阻效应元件101的电阻值(kΩ)。
在图4中，作为一个例子，表示了在图1所示结构中，使固定磁化的第一强磁性层(固定层)106的CoFeB膜厚为0.9nm，使作为记录层的第二强磁性层109的CoFeB膜厚为1.6nm，使第三强磁性层204的CoFeB膜厚为1nm，使第一非磁性层110及第二非磁性层205的MgO膜厚为0.9nm，使非磁耦合层203的Ta膜厚为0.4、1.0nm变化的情况下，在相对于膜面为垂直方向上施加磁场，测定的磁阻效应元件101的电阻变化的结果。
如图4(a)所示，非磁耦合层203的Ta膜厚(tTa)为0.4nm时的磁阻效应元件101为典型的较小RH曲线。
与此相对，在Ta膜厚为1.0nm的情况下，得到图4(b)和图4(c)所示的两种小RH曲线，这是由于隔着Ta的CoFeB层间的磁耦合变弱而产生的。在图4(b)、(c)中任一情况下的最开始，向负方向施加大的磁场，全部的强磁性层的磁化方向均聚集于同一个方向(朝向下方)。在图4(b)中，向正方向施加磁场，在第二强磁性层109反转后不久马上减小外部磁场。另一方面，在图4(c)所示的例子中，第二强磁性层109反转后还施加正方向的磁场，施加114mT的磁场后，减少外部磁场。
在图4(b)中，作为非磁耦合层203的Ta上的CoFeB层不进行磁化反转，向下保持固定地使第二强磁性层109的CoFeB层的磁化反转。此时，使第一强磁性层106的磁化方向也固定为朝向下方，因而从第一强磁性层106及第三强磁性层204对第二强磁性层109施加偶极子磁场。结果，交变磁场(shift magnetic field)形成45mT这一非常大的值。
另一方面，在图4(c)的例子中，在第二强磁性层109反转后，也使正方向的磁场强度增加，使作为非磁耦合层203的Ta上的CoFeB层为磁化反转的状态，即在将作为非磁耦合层203的Ta上的CoFeB层的磁化方向固定为朝上的状态下，测定RH曲线。在这种情况下，由于来自第三强磁性层204的偶极子磁场为了抵消来自第一强磁性层106的偶极子磁场，交变磁场为5mT这一小的值。
由以上结果可知，非磁耦合层203的Ta为0.4nm的情况下，第二强磁性层109与第三强磁性层204强磁耦合，与此相对，在非磁耦合层203的Ta为1.0nm的情况下，非磁耦合层203的上下的CoFeB层独立进行反转。
由此可知，在本发明的磁阻效应元件101中，需要将非磁耦合层203的Ta膜厚设计为不足1.0nm。
如发明效果中所述，根据本发明能够提高磁阻效应元件101的热稳定性。
图5是本发明的磁阻效应元件101与图15所示的现有结构的磁阻效应元件进行热稳定性比较的图。图5的横轴为记录层的面积(nm2)，纵轴为热稳定系数(E/kBT)。
比较例是使固定磁化的第一强磁性层2106的膜厚为0.9nm，使磁化方向可变的第二强磁性层2109的膜厚为1.6nm，使第一非磁性层2110的膜厚为0.9nm时的磁阻效应元件2101的热稳定性系数。
实施例的磁阻效应元件具有图1所示的元件结构，将本发明发现的Ta适用于非磁耦合层203，如实施例2所示，为了得到第二强磁性层109与第三强磁性层204之间的充分磁耦合，使Ta膜厚为0.4nm。在图5中，示出了磁阻效应元件101相对于元件面积的热稳定系数。
可知任一元件面积，具备将本发明中所用的Ta用作非磁耦合层203的结构的磁阻效应元件101均表现出高的热稳定性，能够实现MRAM所需的热稳定性系数80以上的值。
图6为表示对图1所示结构的磁阻效应元件使用电流(自旋转移力矩)使其记录层的磁化反转的结果的图。横轴为对磁阻效应元件101施加的电流(μA)，纵轴为磁阻效应元件101的电阻值(kΩ)。
如图6所示可知，通过外部电流可使本发明的磁阻效应元件101进行磁化反转。即，可知在通过电流的无磁场状态下，可由平行状态向逆平行状态以及由逆平行状态向平行状态这样改变磁化状态。
通过以上结果可知，使用本发明的磁阻效应元件101，可通过由外部供给的电流改变磁化状态。
在图1所示的例子中，表示固定磁化的参照层的磁化朝向为朝向上方，但也可以固定为朝向下方。
在使用了图1结构的图4、图5及图6的例子中，第一、第二及第三强磁性层106、109、204全部以CoFeB组成，但固定磁化的第一强磁性层106也可以由Co与Pt或Pd、Ni与Pt或Pd等的多层膜或FePt、TbFeCo合金等现有已知的其他垂直磁各向异性材料组成。
在第一强磁性层106与第一非磁性层110之间，也可以新插入含有Co、Fe、Ni等3d过渡金属中至少一种的强磁性体或以赫斯勒合金(ホイスラー合金)为材料的层。在上述结构中，为了得到高的磁阻比，可以在第一强磁性层106中的含有Fe、Co、Ni中至少一种的层与Co与Pt或Pd、Ni与Pt或Pd等的多层膜或FePt、TbFeCo合金等使用现有已知的其他垂直磁各向异性材料的强磁性层之间，插入Ta、Cr、V等非磁性金属。
(变形例1)
图7为表示本发明的第一实施方式的磁阻效应元件101A的变形例1的结构的剖面图。图7的磁阻效应元件101A与图1的磁阻效应元件101的区别在于固定层。固定层由第一强磁性层106，还有第四强磁性层701和第二非磁耦合层702构成。作为一个例子，图7表示磁阻效应元件101A的剖面图，所述磁阻效应元件101A，在与第一非磁性层110邻接的第一强磁性层106中使用CoFeB，在其之下，将含有Ta、Cr、V中至少一种的非磁性材料作为第二非磁耦合层702进行插入，在第二非磁耦合层702之下，为第四强磁性层701，该第四强磁性层701是以Co与Pt或Pd、Ni与Pt或Pd等的多层膜或FePt、TbFeCo合金等使用了现有已知的其他垂直磁各向异性材料的强磁性层构成的。
(变形例2)
图8为表示本发明第一实施方式的磁阻效应元件101B的变形例2的结构的剖面。
在图1所示的磁阻效应元件101中，固定磁化的参照层由单层的第一强磁性层106构成。
在图8的本发明的变形例2的磁阻效应元件101B中，也可在第一强磁性层106的下方插入具有与第一强磁性层106的磁化方向相反磁化的第五强磁性层801。这种情况下，由于在由第二强磁性层109和第三强磁性层204构成的磁化方向可变的记录层上起作用的泄漏磁场变小，因此进一步凸显了本发明的效果。
在图8的磁阻效应元件101B中，在第一强磁性层106与第五强磁性层801之间，插入供给反强磁性层间耦合的第三非磁耦合层802。
根据非专利文献4，第三非磁耦合层802候选除Pd、Pt、Ni、Fe、Co之外的全部过渡金属及其合金，通过将第三非磁耦合层802的膜厚调整为最佳，能够在第一强磁性层106与第五强磁性层801之间，使起反强磁性的层间耦合作用。
在图8的例子中，作为第一强磁性层106使用CoFeB，作为第五强磁性层801，候选Co与Pt或Pd、Ni与Pt或Pd等的多层膜，或FePt、TbFeCo合金等现有已知的其他垂直磁各向异性材料。
另外，也可以形成为在第一强磁性层106与第三非磁性层802之间插入垂直磁各向异性能量大的Co与Pt或Pd、Ni与Pt或Pd等的多层膜或FePt、TbFeCo合金等现有已知的其他垂直磁各向异性材料而成的结构。这种情况下，为了得到高磁阻比，也可以在CoFeB层与一直以来所具有的垂直磁各向异性材料之间插入Ta、Cr、V等非磁性材料。
(变形例3)
图9是表示本发明的第一实施方式的磁阻效应元件101C的变形例3的结构的剖面图。在图9中，作为一个例子，示出了在图8的磁阻效应元件101B中，进一步在第一强磁性层106中使用CoFeB，在其之下插入作为第四非磁耦合层901的Ta，进而在其之下具备由Co与Pt或Pd、Ni与Pt或Pd等的多层膜或FePt、TbFeCo合金等现有已知的其他垂直磁各向异性材料构成的第六强磁性层902。
(变形例4)
图10表示本发明的第一实施方式的磁阻效应元件101D的变形例4的结构的剖面图。
根据本发明的另一观点，关于本发明的效果，即使是记录层和参照层的位置相对于第一非磁性层110其相对性的位置为相反的图10所示的结构，也能发挥相同的效果。
在实施例1中，配置于第一非磁性层110下方的强磁性层，作为固定磁化的参照层而发挥作用，配置在第一非磁性层110上方的第二强磁性层109、第三强磁性层204，作为磁化方向可变的记录层而发挥作用。
另一方面，在图10所示的结构中，相对于第一非磁性层110的记录层和参照层106的相对位置相反。在图10的例子中，示出了下述情况下的例子，即，非磁耦合层203为Ta，作为参照层的第一强磁性层106，作为记录层的第二强磁性层109及第三强磁性层204的材料均为CoFeB，第一非磁性层110和第二非磁性层205的材料为MgO。
在图10所示的例子中，作为固定磁化的参照层的第一强磁性层106的磁化朝向上方，但也可以朝向下方。另外，第一强磁性层106可以由Co与Pt或Pd、Ni与Pt或Pd等的多层膜或FePt、TbFeCo合金等现有已知的其他垂直磁各向异性材料构成。
(变形例5)
在图10所示的磁阻效应元件101D中，可以在第一强磁性层106的下方新插入含有Co、Fe、Ni等3d过渡金属中至少一种的强磁性体或以赫斯勒合金为材料的层。在该情况下，为了获得更大的磁阻变化率，可以在上述插入的Co、Fe、Ni等3d过渡金属中一种的强磁性体或以赫斯勒合金为材料的层之上，插入含有Ta、Cr、V中任意一种的非磁性材料作为第五非磁耦合层1101，例如如图11所示的结构。
图11是表示本发明的第一实施方式的磁阻效应元件101E的变形例5的结构的剖面图。如该图所示，本发明的变形例5的磁阻效应元件101E的结构，可以在图10所示的第一强磁性层106的上方，进一步插入由含有Ta、Cr、V中任意一种的层构成的第五非磁耦合层1101和第七强磁耦合层1102。第七强磁耦合层1102的磁化方向固定为朝向上方，但也可以固定为朝向下方。
(变形例6)
根据本发明的另一观点，在图10所示的结构中，也可以如变形例2所示地，在第一强磁性层106的上方进一步提供具有磁化方向与第一强磁性层106的磁化方向相反的第八强磁性层1201。
图12是表示本发明第一实施方式的磁阻效应元件101F的变形例6的结构的剖面图。如该图所示，本发明的变形例6的磁阻效应元件101F，在图10所示的磁阻效应元件101D的第一强磁性层106的上方进一步层积进行产生反强磁性层间耦合的第六非磁耦合层1202，并进一步在其上方具备磁化方向与第一强磁耦合层106相反的固定磁化的第八强磁性层1201。本结构与变形例3相同，可以是在第一强磁耦合层106的上方进一步层积Co与Pt或Pd、Ni与Pt或Pd等的多层膜或FePt、TbFeCo合金等现有已知的其他垂直磁各向异性材料的结构。
(变形例7)
图13是表示本发明第一实施方式的磁阻效应元件101G的变形例7的结构的剖面图。如该图中所例示，本发明的变形例7的磁阻效应元件101G是在图12所示的磁阻效应元件101F的第一强磁性层106的上方，进一步具备第九强磁耦合层1301。为了得到高的磁阻比，可以是在由现有已知的其他垂直磁各向异性材料形成的第九强磁耦合层1301与第一强磁耦合层106之间，插入由含有Ta、Cr、V中至少一种的合金层构成的第七非磁耦合层1302。
根据本发明的另一观点，在制造第二强磁耦合层109和第三强磁耦合层204时，通过调整溅射靶与基板的相对位置，能够获得更大的垂直磁各向异性。垂直磁各向异性能量密度的增加，使记录层膜厚的增加变为可能，结果连带热稳定性的增加。
(本发明第一实施方式的磁存储器)
对将本发明的第一实施方式的磁阻效应元件101作为存储单元的本发明第一实施方式的磁存储器进行说明。
图14是表示将本发明的磁阻效应元件101、101A～101G作为记忆元件的磁存储器(MRAM)1400的结构的方框图。
根据本发明的第一实施方式的磁存储器，通过将实施例1、实施例2、变形例1～7的磁阻效应元件101、101A～101G用作记忆元件，能够实现磁存储器(MRAM)。如图14所示，在磁存储器1400的存储器阵列中，具备相互平行配置的多条源极线103、与源极线103平行配置且相互平行配置的位线104、与位线104垂直配置且相互平行的多条字线105、向存储单元100内的磁阻效应元件101的膜面垂直方向施加电流的电路、外围电路；磁存储器1400的存储单元100配置于位线104与字线105的各个交叉点处。存储单元100中的磁阻效应元件可以使用实施例1～7的磁阻效应元件101、101A～101G中的任意一个，例如以实施例1的磁阻效应元件101为例进行说明。
磁存储器1400的存储单元100具备实施例1、实施例2、变形例1～7的磁阻效应元件101和选择性晶体管102。位线104通过磁阻效应元件101与选择性晶体管102的漏极进行电连接，源极线103通过布线层电与选择性晶体管102的源极进行电连接。
另外，字线105与选择性晶体管102的栅极进行电连接。源极线103与位线104的一端与用于施加电压的光驱动器1403和灵敏放大器1402进行电连接。字线105的另一端电连接于字驱动器1401上。
可使用MOS晶体管制作选择用晶体管102及外围电路。为了低功耗化，这些电路也可以由互补型MOS构成的集成电路，所谓的CMOS集成电路构成。
在“1”的写入工作中，由光驱动器1403对源极线103施加电压的同时，由字驱动器1401向字线105施加电压，据此从源极线103经由磁阻效应元件101向位线104流通电流。此时，作为磁阻效应元件101的磁化方向可变的记录层的磁化，与磁化方向固定的参照层的磁化配置形成逆平行状态，磁阻效应元件101形成高电阻状态，保持的信息为“1”。
另一方面，在“0”的写入工作中，由光驱动器1403向位线104施加电压的同时，由字驱动器1401向字线105施加电压，据此由位线104经由磁阻效应元件101向源极线103流通电流。即，在“0”的写入工作中，在与“1”的写入工作相反方向流通电流，在磁阻效应元件101的自由层中使自旋注入磁化反转。此时，作为磁阻效应元件101的磁化方向可变的记录层的磁化与磁化方向固定的参照层的磁化配置形成平行状态，磁阻效应元件101形成低电阻状态，保持的信息为“0”。
读出时，使用灵敏放大器1402，读取因电阻变化产生的信号的差异。通过使用这样的存储阵列，磁阻变化率大，读出电流小，可实现具备与现有结构相比提高了热稳定性的磁阻效应元件101的MRAM。
本发明的磁存储器1400可通过下述方法制作。
首先，通过CMOS工序在Si等基板上形成选择用晶体管102及外围电路，然后，形成本发明的磁存储器1400的磁阻效应元件101既可。具体地，进一步使用绝缘膜整体覆盖上述工序中制造的选择用晶体管及外围电路，在仅与磁阻效应元件101的各电极连接的区域进行开口，形成磁阻效应元件101。接着，形成的磁阻效应元件101、各存储单元100、位线104、字线105等的布线可以通过基于层间绝缘层和电极布线的多层布线层来形成。
这里，关于各材料的沉积，除溅射法之外，可以使用CVD法、蒸镀法、激光烧蚀法、MBE法等通常的薄膜成膜方法。另外，在用于形成规定形状的电极或集成电路的布线的掩膜工序中，可以使用光曝光或EB曝光等。
(本发明的第二实施方式的磁阻效应元件)
图15至图20示出了本发明第二实施方式的磁阻效应元件。另外，在以下的说明中，与本发明第一实施方式的磁阻效应元件相同的结构标注相同的符号，省略重复的说明。
如图15所示，磁阻效应元件1010具有第一自由磁化层301、第二非磁性层205、固定层106和固定磁化层401、402。另外，在图15的x-y-z坐标系中，使z轴为基板垂直方向，x-y轴为平行于基板的方向。该x-y-z坐标系的定义在此后的图中均相同。另外，图15(b)中的箭头是各层所包含的强磁性体的磁化方向。
如图16所示，第一自由磁化层301具备第一非磁性层110、第二强磁性层109、非磁耦合层203、第三强磁性层204，并且这些层按该顺序而层积设置。另外，第二非磁性层205由非磁性体构成，其与第三强磁性层204邻接设置。形成第二非磁性层205覆盖第一自由磁化层301的一个整体面。
在第二强磁性层109与第一非磁性层110之间的边界形成第一界面I1，在第三强磁性层204与第二非磁性层205的边界形成第二界面I2。第二强磁性层109及第三强磁性层204含有强磁性体。尤其优选地，第二强磁性层109及第三强磁性层204分别含有作为3d强磁性过渡金属元素的Fe、Co、Ni中的至少一种，进一步优选地，为了在薄膜沉积后不久就形成无定型状态，分别含有B、C、N、O、F、Si、Al、P、S中的至少一种。第二非磁性层205及第一非磁性层110含有非磁性体，尤其优选含有N、O、C中至少一种。由此，在第一界面I1及第二界面I2中表现出基板垂直方向的界面磁各向异性，因而，第二强磁性层109及第三强磁性层204的易磁化轴形成为基板垂直方向。
另外，在具体的一例中，第二强磁性层109及第三强磁性层204由Co-Fe-B合金构成，总膜厚为0.8nm以上60nm以下。第二非磁性层205及第一非磁性层110由Mg-O构成，第二非磁性层205的膜厚为0.5～2nm。
非磁耦合层203含有金属，尤其优选含有Ta、Hf、Zr、Nb、Mo、Ti中的至少一种。作为具体的一个例子，非磁耦合层203由Ta构成，膜厚为0.2nm以上不足0.6nm。
另外，如图15(b)及(c)所示，第一自由磁化层301具备第一固定磁化区域302、第二固定磁化区域303、自由磁化区域304。另外，在图15中，第一自由磁化层301在x轴方向延伸而形成，自由磁化区域304由第一固定磁化区域302与第二固定磁化区域303之间夹持设置而成，但第一固定磁化区域302、第二固定磁化区域303、自由磁化区域304的位置关系并不限定于此。第一固定磁化区域302及第二固定磁化区域303具有固定于z轴方向的磁化，并且它们在逆平行方向磁化。在图15的例子中，第一固定磁化区域302的固定磁化为+z方向，第二固定磁化区域303的固定磁化为-z方向。使固定磁化区域304的磁化可朝向+z方向或-z方向中的任一方向。
如图15所示，固定层106与第二非磁性层205邻接，设置在与第一自由磁化层301相反的那一侧。固定层106具有垂直磁各向异性并具有磁化方向固定的强磁性体。固定层106具有第十强磁性层1061、第三非磁性层1062、第十一强磁性层1063。第十强磁性层1061及第十一强磁性层1063由具有垂直磁各向异性的强磁性体构成。第三非磁性层1062由非磁性体构成，其被第十强磁性层1061及第十一强磁性层1063夹持设置而成。第十强磁性层1061及第十一强磁性层1063的固定磁化为逆平行方向，第三非磁性层1062具有使第十强磁性层1061及第十一强磁性层1063的磁化朝向逆平行方向地耦合的作用。
第十强磁性层1061及第十一强磁性层1063含有Fe、Co、Ni等3d强磁性过渡金属元素中的至少一种。另外，也可以通过使这些元素与Pt、Pd、Au等交替层积，而具有垂直磁各向异性。另外，也可以使用含有如Tb-Fe-Co、Gd-Fe-Co、Sm-Co这样的稀土类金属的垂直磁各向异性材料或Fe-Pt、Fe-Pd、Co-Pt等有序合金。第三非磁性层1062可以由任意的材料构成，但适宜优选由具有使第十强磁性层1061及第十一强磁性层1063反强磁耦合作用的Ru、Ir、Rh、Os、Re等构成。
另外，设置固定层106，使其在x-y平面中至少与第一自由磁化层301的自由磁化区域304重叠。在图15所示的例子中，固定层106配置在自由磁化区域304的正上方，并设置使其在x-y平面上被自由磁化区域304容纳。另外，固定层106以至少一部分在x-y平面上相对于自由磁化层304重叠即可，其大小也可以比自由磁化层304大。
如图15所示，固定磁化层401、402分别在其至少一部分中具有强磁性体。固定磁化层401、402分别与第一自由磁化层301的第一固定磁化区域302和第二固定磁化区域303相接，并为磁性耦合。另外，该磁耦合即可以是交换耦合，也可以是静磁耦合。固定磁化层401、402具有将第一自由磁化层301的第一固定磁化区域302的磁化与第二固定磁化区域303的固定磁化为逆平行方向的作用。因此，固定磁化层401、402具有固定为相互逆平行方向的磁化。另外，只要能发挥该作用，固定磁化层401、402可以设置三个以上、也可以设置为一个，也可以不设置。
固定磁化层401、402含有Fe、Co、Ni等3d强磁性过渡金属元素中的至少一种。另外，也可以通过使这些元素与Pt、Pd、Au等交替层积，而具有垂直磁各向异性。另外，也可以使用含有如Tb-Fe-Co、Gd-Fe-Co、Sm-Co这样的稀土类金属的垂直磁各向异性材料或使用Fe-Pt、Fe-Pd、Co-Pt等有序合金。
另外，固定磁化层401、402，如图17(a)所示，可以与第一自由磁化层301的第一非磁性层110邻接设置而成，如图17(b)所示，也可以与第一自由磁化层301的第二强磁性层109邻接设置而成。如图17(a)所示，固定磁化层401、402与第一非磁性层110邻接设置的情况下，需要是固定磁化层401、402与比第二强磁性层109更上层之间进行电连通，因此需要使第一非磁性层110的隧道阻力充分薄的结构。因此，除了减薄第一非磁性层110的膜厚之外，可以使固定磁化层401、402上部的粗糙度增大，据此使电流的泄漏通路增多从而得以连通。
另外，如图17(b)所示，在固定磁化层401、402与第二强磁性层109邻接设置的情况下，关于第二强磁性层109中的与第一非磁性层110邻接的部分，需要通过界面磁各向异性表现出垂直磁各向异性的结构，关于第二强磁性层109中的与固定磁化层401、402邻接的部分，需要通过与固定磁化层的交换耦合表现出垂直磁各向异性。在这种情况下，第一非磁性层110的膜厚不存在上限。
另外，为了与外围布线连接，磁阻效应元件1010可以具有由导体构成的接触层。
(磁阻效应元件1010的存储状态)
在磁阻效应元件1010中，使第一自由磁化层301的磁化状态与记忆信息相关。如图18(a)所示，在磁阻效应元件1010中作为存储信息存储了“0”的状态下，第一自由磁化层301的自由磁化区域304的磁化朝向+z方向。由于此时第一固定磁化区域302朝向+z方向，第二固定磁化区域303朝向-z方向，因此自由磁化区域304与第二固定磁化区域303之间的边界形成磁畴DW。
另一方面，如如图18(b)所示，作为存储信息存储了“1”的状态下，第一自由磁化层301的自由磁化区域304的磁化朝向-z方向。此时，由于第一固定磁化区域302朝向+z方向，第二固定磁化区域303朝向-z方向，因此自由磁化区域304与第一固定磁化区域302之间的边界形成磁畴DW。
这样，在磁阻效应元件1010中，第一自由磁化层301的自由磁化区域304的磁化方向，与视作存储元件时的记忆信息相对应，换句话说，磁畴DW的位置与记忆信息相对应。另外，磁阻效应元件1010中的存储状态的定义并不限定于此，使第一固定磁化区域302、第二固定磁化区域303、自由磁化区域304的磁化方向与存储状态之间的相关具有任意性。
(向磁阻效应远近1010写入信息的方法)
在磁阻效应元件1010中，通过利用电流使图18所示的磁畴DW移动，来进行信息的输入。如图19(a)所示，作为存储信息写入“1”的情况下，“1”写入电流Iw1由第一自由磁化层301的第一固定磁化区域302经由自由磁化区域304导入第二固定磁化区域303。此时，在第一自由磁化层301内，传导电子由第二固定磁化区域303经由自由磁化区域304流向第一固定磁化区域302。因此，在自由磁化区域304与第二固定磁化区域303之间的边界形成的磁畴DW上，自旋转移力矩发生作用，磁畴DW由自由磁化区域304与第二固定磁化区域303之间的边界向自由磁化区域304与第一固定磁化区域302之间的边界移动。另外，由于第一固定磁化区域302的磁化被固定，因此磁畴DW在自由磁化区域304与第一固定磁化区域302之间的边界停止。据此实现的磁化状态无疑是图18(b)所示“1”状态。这样，通过将“1”输入电流Iw1导入磁阻效应元件1010，能够进行由“0”状态向“1”状态的存储信息的切换写入。
另一方面，如图19(b)所示，作为存储信息写入“0”的情况下，“0”写入电流Iw0由第一自由磁化层301的第二固定磁化区域303经由自由磁化区域304导入第一固定磁化区域302。此时，在第一自由磁化区域301内，传导电子由第一固定磁化区域302经由自由磁化区域304流向第二固定磁化区域303。由此，在自由磁化区域304与第一固定磁化区域302之间的边界形成的磁畴DW上，自旋转移力矩发生作用，磁畴DW由自由磁化区域304与第一固定磁化区域303之间的边界向自由磁化区域304与第二固定磁化区域303之间的边界移动。另外，由于第二固定磁化区域303的磁化被固定，因此磁畴DW在自由磁化区域304与第二固定磁化区域303之间的边界停止。据此实现的磁化状态无疑是图18(a)所示“0”状态。这样，通过将“0”写入电流Iw0导入磁阻效应元件1010，可进行由“1”状态向“0”状态的存储信息的切换写入。
这样，通过向第一自由磁化层301导入双方向的写入电流，可进行“0”状态与“1”状态之间的存储信息的切换写入。另外，在图19中，写入电流Iw1、Iw0，经由各固定磁化层401、402，但输入电流的路径并不限定于此，只要在第一自由磁化层301内于第一固定磁化区域302与自由磁化区域304之间，或第二固定磁化区域303与自由磁化区域304之间导入，经由任意路径均可。
另外，在“0”状态时导入“0”写入电流Iw0的情况下以及在“1”状态时导入“1”写入电流Iw1的情况下，不会引起存储状态的变化。即，在磁阻效应元件1010中，也可进行信息的覆盖。
(从磁阻效应元件1010读出信息的方法)
在磁阻效应元件1010中，第一自由磁化层301的自由磁化区域304的磁化方向与存储的记忆信息相对应。在磁阻效应元件1010内，利用由该自由磁化区域304与固定层106的第十强磁性层1061之间的磁化的相对角产生的磁阻效应，进行信息的读出。在磁阻效应元件1010中，导入读出电流Ir，使其穿透固定层106、第二非磁性层205、第一自由磁化层301，由此进行信息的读出。
如图20(a)所示，作为存储信息读出“0”的情况下，与第二非磁性层205邻接的固定层106的第十强磁性层1061的磁化方向朝向+z方向，第一自由磁化层301的自由磁化区域304也朝向+z方向。因此，如果向穿透固定层106、第二非磁性层205、第一自由磁化层301的方向导入电流，则因磁阻效应可以观察到低电阻状态。
另一方面，如图20(b)所示，作为存储信息读出“1”的情况下，与第二非磁性层205邻接的固定层106的第十强磁性层1061的磁化方向朝向-z方向，第一自由磁化层301的自由磁化区域304朝向+z方向。因此，如果向穿透固定层106、第二非磁性层205、第一自由磁化层301的方向导入电流，则因磁阻效应可以观察到高电阻状态。
这样，通过自由磁化区域304的磁化相对于第十强磁性层1061的相对角，使磁阻效应元件1010中的电阻发生变化，因此通过利用该电阻之差可进行从磁阻效应元件1010读出信息。
另外，在图20中，读出电流Ir由各固定磁化层401、402经由第一自由磁化层301、第二非磁性层205、固定层106向+z方向进行导入，但读出电流Ir的路径并不限定于此。即，只要电流在穿透固定层106的第十强磁性层1061、第二非磁性层205、第一自由磁化层301的自由磁化区域304的方向上流动，则除此之外的路径也可以。
(变形例8)
图21示出了本发明的第二实施方式的磁阻效应元件的变形例8。
如图21所示，磁阻效应元件1010A具备第一自由磁化层301、第二非磁性层205、固定层106、固定磁化层401、402、第二自由磁化层501、第四非磁性层502。另外，在以下的说明中，与本发明第二实施方式的磁阻效应元件1010相同的结构标注相同的符号，省略重复的说明。
第二自由磁化层501的至少一部分具有强磁性体，在x-y平面内磁化方向能够反转。即，第二自由磁化层501具备具有面内磁各向异性的强磁性体。另外，设置第二自由磁化层501，使其由第一自由磁化层301的自由磁化区域304的中心开始在x-y平面内偏移。在图9所示的一个例子中，设置第二自由磁化层501，使其相对于第一自由磁化层301的自由磁化区域304沿+y方向偏移。
第二自由磁化层501可以使用任意材料，实际上，优选由包含Fe、Co、Ni的强磁性体构成。尤其可设计材料或膜厚，使第二自由磁化层501得到所期望的输出特性。
第四非磁性层502被固定层106与第二自由磁化层501所夹持设置。第四非磁性层502可以使用任意的材料，可以使用所有的非磁性体。作为第二自由磁化层501的材料与第四非磁性层502的材料之间的组合，例如优选Co-Fe-B、Mg-O。
另外，如图21所示，各固定磁化层401、402，分别与第一自由磁化层301的第一固定磁化区域302及第二固定磁化区域303相邻接，并设置在其上侧的面上。另外，第一非磁性层20与第一自由磁化层301的下侧的面邻接设置。
磁阻效应元件1010A与磁阻效应元件1010相同，通过第一自由磁化层301的自由磁化区域304的磁化方向朝向上方或朝向下方，来区别存储的信息“0”和“1”。在磁阻效应元件1010A中，在自由磁化区域304朝向上(+z方向)的情况下，第二自由磁化层501的位置处产生+y方向的泄漏磁场。通过该泄漏磁束，使第二自由磁化层501的磁化朝向+y方向。此时，第二自由磁化层501与同第四非磁性层502相邻接的固定层106的第十强磁性层1061之间的相对角为平行。
另一方面，在自由磁化区域304朝向下(-z方向)的情况下，第二自由磁化层501的位置处产生-y方向的泄漏磁场。通过该泄漏磁束，使第二自由磁化层501的磁化朝向-y方向。此时，第二自由磁化层501与同第四非磁性层502相邻接的固定层106的第十强磁性层1061之间的相对角为逆平行。这样，在磁阻效应元件1010A中，第一自由磁化层301的自由磁化区域304的磁化方向通过泄漏磁场这一方式传达至第二自由磁化层20，可利用第二自由磁化层20、第四非磁性层502、固定层106之间产生的磁阻效应进行读出。
另外，在图21中，磁阻效应元件1010A为四端子元件，但实际上承担读出的由第二自由磁化层501、第四非磁性层502、固定层106构成的层积体与承担写入及数据保持的第一自由磁化层301、第一非磁性层20之间可以进行电连接。这种情况下，磁阻效应元件1010A为三端子元件。
(本发明第二实施方式的磁存储器)
图22及图23示出了本发明第二实施方式的磁存储器。
如图22所示，本发明第二实施方式的磁存储器1500具有配置成哑铃状的多个磁存储单元1501。另外，如图23所示，各磁存储单元1501具有磁阻效应元件1010。
(磁存储器1500的电路结构)
如图23所示，在磁存储单元1501中，磁阻效应元件1010与第一位线1021、第二位线1022、字线1030、地线1040连接。连接于固定层106的端子与地线1040连接。第一固定磁化区域302经由固定磁化层401与第一单元晶体管1051的源极/漏极连接。第二固定磁化区域303经由固定磁化层402与第一单元晶体管1052的源极/漏极连接。第一单元晶体管1051及第二单元晶体管1052的栅极与字线1030连接。另外，第一单元晶体管1051及第二单元晶体管1052的源极/漏极中与磁阻效应元件1010连接的那一侧的相反侧的端子，分别于第一位线1021、第二位线1022连接。
在写入信息的情况下，通过将字线1030设定为高电平，则第一单元晶体管1051及第二单元晶体管1052为ON状态。并且，通过将第一位线1021及第二位线1022中的任一个设定为高电平，则可向磁阻效应元件1010进行信息写入。
在读出信息的情况下，通过将字线1030设定为高电平，则第一单元晶体管1051及第二单元晶体管1052为ON状态。并且，通过将第一位线1021及第二位线1022两者设定为高电平，或者将一个设定为高电平，另一个设定为开启，则能够从磁阻效应元件1010进行信息读出。
如图22所示，磁存储器1500具备存储单元阵列1502、X驱动1503、Y驱动1504、控制器1505。存储单元阵列1502具有配置成阵列状的多个磁存储单元1501。各磁存储单元1501与第一位线1021、第二位线1022、字线1030、地线1040连接。X驱动1503与多条字线1030连接，并驱动这些多条字线1030中与存取对象的磁存储单元1501连接的字线1030。
Y驱动1504与多条第一位线1021、第二位线1022连接，将这些多条第一位线1021、第二位线1022设定为所期望数据的写入/读出状态。控制器1505根据数据写入或数据读出，分别控制X驱动1503及Y驱动1504。另外，与磁阻效应元件1010的固定层106连接的地线1040与X驱动1503连接，但其也可以用与Y驱动1504连接的读出位线代用。
另外，图22及图23所示的电路结构，为使用磁阻效应元件1010或1010A形成磁存储器1500的一个例子，使用其他电路结构也可以提供具有同等效果的磁存储器。
如以上所示，由于磁阻效应元件1010将层积强磁性层和非强磁性层的层积结构用于形成三端子畴壁移动型磁存储器，因此同时具有小的写入电流及大的读出信号。另外，由于能够较大地设置第一自由磁化层301的第二强磁性层109及第三强磁性层204的总膜厚，因此可迅速提高数据的保持特性，可提高热稳定性、工作稳定性及制造容易性。
本发明不限定于上述实施例，在发明的权利要求书中所记载的发明范围内可进行各种变形，其均包含在本发明的范围内。
工业实用性
本发明的磁阻效应元件不仅可适用于兆位、千兆位级大规模存储阵列，也适用于设置在千位、兆位级高速下工作的超高速缓冲存储器或系统LSI的逻辑区域的寄存器等单位或多位瞬时记忆元件。并且，可适用于以如赛道存储器这样在细线上形成多个磁区的各磁化方向存储多个信息，并且也适用于为了向所希望的位进行存取而使用电流诱发磁畴壁运动等的器件。
因此，可认为将本发明的磁存储器可用于移动电话等移动设备或电脑中所用的非易失性半导体存储装置，或汽车或游戏机等中所用的非易失性存储器内置的微型计算机中的存储部分及逻辑部分所连接的超高速缓冲存储器或寄存器等瞬时存储元件等。
附图标记说明
100―磁存储器的存储单元；101、101A～101G―磁阻效应元件；102―选择性晶体管；103―源极线；104―位线；105―字线；106―第一强磁性层(固定层)；109―第二强磁性层；110―第一非磁性层；201―底层；202―覆盖层；203―非磁耦合层；204―第三强磁性层；205―第二非磁性层；701―第四强磁性层；702―第二非磁耦合层；801―第五强磁性层；802―第三非磁耦合层；901―第四非磁耦合层；902―第六强磁性层；1101―第五非磁耦合层；1102―第七强磁性层；1201―第八强磁性层；1202―第六非磁耦合层；1301―第九强磁性层；1302―第七非磁耦合层；1400―磁存储器(MRAM)；1401―字驱动器；1402―灵敏放大器；1403―光驱动器；1010、1010A―磁阻效应元件；1021―第一位线；1022―第二位线；1030―字线；1040―地线；1051―第一单元晶体管；1052―第二单元晶体管；1061―第十强磁性层；1062―第三非磁性层；1063―第十一强磁性层；301―第一自由磁化层；302―第一固定磁化区域；303―第二固定磁化区域；304―自由磁化区域；401、402―固定磁化层；501―第二自由磁化层；502―第四非磁性层；1500―磁存储器；1501―磁存储单元；1502―存储单元阵列；1503―X驱动；1504―Y驱动；1505―控制器。

Claims (14)

1.一种磁阻效应元件，其特征在于，其具备：
包含磁化方向不变的第一强磁性层的固定层、
磁化方向可变的第二强磁性层、
与所述第二强磁性层邻接设置的第一非磁性层、
所述第二强磁性层与所述第一非磁性层相对的另一侧的面邻接设置的非磁耦合层、
所述非磁耦合层与所述第二强磁性层相对的另一侧的面邻接设置的磁化方向可变的第三强磁性层、
所述第三强磁性层与所述非磁耦合层相对的另一侧的面邻接设置的第二非磁性层；
所述第二强磁性层与所述第三强磁性层的磁化方向相同。
2.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于，所述非磁耦合层由含有Ta、Hf、Zr、Nb、Mo、Ti中至少一种的金属构成。
3.根据权利要求1或2所述的磁阻效应元件，其特征在于，所述第二强磁性层及所述第三强磁性层含有Fe、Co、Ni中的至少一种，且含有B、C、N、O、F、Si、Al、P、S中的至少一种。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的磁阻效应元件，其特征在于，所述第一非磁性层及所述第二非磁性层含有N、O、C中的至少一种。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的磁阻效应元件，其特征在于，所述非磁耦合层的膜厚为0.2nm以上不足1.0nm。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的磁阻效应元件，其特征在于，所述非磁耦合层的膜厚为0.2nm以上不足0.6nm。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的磁阻效应元件，其特征在于，所述非磁耦合层为含有Ta的金属。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的磁阻效应元件，其特征在于，所述第二强磁性层及所述第三强磁性层的膜厚为0.8nm以上60nm以下。
9.根据权利要求1至8中任意一项所述的磁阻效应元件，其特征在于，所述第二强磁性层及所述第三强磁性层含有Co、Fe、B。
10.根据权利要求1至9中任意一项所述的磁阻效应元件，其特征在于，所述第一非磁性层及所述第二非磁性层由氧化镁构成。
11.根据权利要求1至10中任意一项所述的磁阻效应元件，其特征在于，
其具有与所述第一强磁性层连接的第一电流端子，与所述第二强磁性层连接的第二电流端子；
所述第一强磁性层相对于所述第一非磁性层，与所述第二强磁性层相反侧的面邻接设置；
所述第二强磁性层及所述第三强磁性层通过电流自旋注入磁化反转。
12.根据权利要求1至10中任意一项所述的磁阻效应元件，其特征在于，
其具有第一电流端子、第二电流端子和第三电流端子；
所述第二强磁性层及所述第三强磁性层具有在相互相反方向上磁化的第一固定磁化区域及第二固定磁化区域、磁化方向可变的自由磁化区域；
所述固定层与所述第一电流端子连接；
所述第一固定磁化区域与所述第二电流端子连接；
所述第二固定磁化区域与第三电流端子连接。
13.一种磁存储器，其特征在于，其具有：
相互平行配置的多条源极线、
在与所述源极线交叉的方向上相互平行配置的多条字线、
与所述源极线平行配置的多条位线、
设置在所述位线与所述字线交叉部分的权利要求11所述的磁阻效应元件、
向所述磁阻效应元件的膜面垂直方向施加电流的电路；
所述磁阻效应元件的所述第一电流端子及所述第二电流端子中的任意一个与选择性晶体管的源极/漏极电连接，另一个与所述位线电连接；
所述字线与所述选择性晶体管的栅极电连接；
所述源极线与所述选择性晶体管的源极/漏极电连接。
14.一种磁存储器，其特征在于，具有：
相互平行配置的多条第一位线和第二位线、
在与所述第一位线及所述第二位线交叉的方向上相互平行配置的多条字线、
配置在所述第一位线及第二位线与所述字线交叉部分的权利要求12所述的磁阻效应元件、
向所述磁阻效应元件的膜面内及膜面垂直方向施加电流的电路；
所述第二电流端子与第一选择性晶体管的源极/漏极电连接；
所述第三电流端子与第二选择性晶体管的源极/漏极电连接；
所述第一选择性晶体管的另一个源极/漏极与所述第一位线连接；
所述第二选择性晶体管的另一个源极/漏极与所述第二位线连接；
所述第一选择性晶体管及所述第二选择性晶体管的栅极与所述字线连接。
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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109075252A (zh) * 2016-04-20 2018-12-21 索尼公司 磁存储元件
CN109478593A (zh) * 2016-07-04 2019-03-15 株式会社电装 磁传感器
CN109937483A (zh) * 2016-12-13 2019-06-25 英特尔公司 垂直磁电自旋轨道逻辑
CN110021335A (zh) * 2018-01-09 2019-07-16 中电海康集团有限公司 磁性隧道结的数据保存时间的获取方法和装置
CN110880344A (zh) * 2018-09-06 2020-03-13 东芝存储器株式会社 磁存储装置
CN111613720A (zh) * 2019-02-25 2020-09-01 上海磁宇信息科技有限公司 一种磁性随机存储器存储单元及磁性随机存储器
CN112038488A (zh) * 2020-09-04 2020-12-04 浙江驰拓科技有限公司 Mtj的制作方法和mtj

Families Citing this family (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9166143B1 (en) * 2014-06-13 2015-10-20 Avalanche Technology, Inc. Magnetic random access memory with multiple free layers
KR102385151B1 (ko) * 2015-01-27 2022-04-11 한양대학교 산학협력단 수직자기이방성을 갖는 mtj 구조 및 이를 포함하는 자성소자
JP2016178252A (ja) * 2015-03-20 2016-10-06 株式会社東芝 磁壁移動素子を備えた不揮発性ｓｒａｍ
KR102524352B1 (ko) * 2015-07-16 2023-04-21 고쿠리츠 다이가쿠 호진 도호쿠 다이가쿠 자기 저항 효과 소자 및 자기 메모리
US9825216B2 (en) 2015-10-16 2017-11-21 Samsung Electronics Co., Ltd. Semiconductor memory device
KR102433703B1 (ko) * 2015-11-30 2022-08-19 에스케이하이닉스 주식회사 전자 장치
US9963780B2 (en) * 2015-12-03 2018-05-08 International Business Machines Corporation Growth of metal on a dielectric
KR101874171B1 (ko) * 2016-03-24 2018-08-03 한양대학교 산학협력단 수직자기이방성을 갖는 mtj 구조 및 이를 포함하는 자성소자
WO2017208880A1 (ja) * 2016-06-01 2017-12-07 Tdk株式会社 スピン流アシスト型磁気抵抗効果装置
JP6934673B2 (ja) * 2016-06-08 2021-09-15 国立大学法人東北大学 磁気トンネル接合素子および磁気メモリ
US10475564B2 (en) 2016-06-29 2019-11-12 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Perpendicularly magnetized ferromagnetic layers having an oxide interface allowing for improved control of oxidation
US10749107B2 (en) 2016-07-29 2020-08-18 Tohoku University Method of manufacturing magnetic tunnel coupling element
US10546997B2 (en) * 2016-12-02 2020-01-28 Regents Of The University Of Minnesota Magnetic structures including FePd
JP2020068214A (ja) * 2017-02-28 2020-04-30 Tdk株式会社 強磁性多層膜、磁気抵抗効果素子、及び強磁性多層膜を製造する方法
US10204671B2 (en) * 2017-03-10 2019-02-12 Simon Fraser University Applications of non-collinearly coupled magnetic layers
US11462253B2 (en) * 2017-03-31 2022-10-04 Tohoku University Magnetoresistance effect element and magnetic memory
JP6917205B2 (ja) * 2017-06-16 2021-08-11 東京エレクトロン株式会社 磁気抵抗素子の製造方法
KR20200136903A (ko) * 2018-03-30 2020-12-08 고쿠리츠다이가쿠호진 도호쿠다이가쿠 자기 저항 효과 소자 및 자기 메모리
US11765981B1 (en) 2018-08-02 2023-09-19 Tohoku University Magnetoresistance effect element and magnetic memory
JP6555404B1 (ja) * 2018-08-02 2019-08-07 Tdk株式会社 磁壁移動型磁気記録素子及び磁気記録アレイ
JP7441483B2 (ja) 2019-08-23 2024-03-01 国立大学法人東北大学 磁気メモリ素子及びその製造方法、並びに磁気メモリ
JP2022096258A (ja) * 2020-12-17 2022-06-29 キオクシア株式会社 磁気記憶装置

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007157840A (ja) * 2005-12-01 2007-06-21 Sony Corp 記憶素子、メモリ
WO2009093387A1 (ja) * 2008-01-25 2009-07-30 Nec Corporation 磁気ランダムアクセスメモリ及びその初期化方法
JP2011155073A (ja) * 2010-01-26 2011-08-11 Hitachi Ltd 磁気抵抗効果素子、それを用いた磁気メモリセル及びランダムアクセスメモリ
JP2012064625A (ja) * 2010-09-14 2012-03-29 Sony Corp 記憶素子、メモリ装置

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4877575B2 (ja) * 2005-05-19 2012-02-15 日本電気株式会社 磁気ランダムアクセスメモリ
JP5260040B2 (ja) * 2007-12-19 2013-08-14 株式会社日立製作所 単一方向電流磁化反転磁気抵抗効果素子と磁気記録装置
KR101683135B1 (ko) * 2009-03-13 2016-12-06 시게이트 테크놀로지 엘엘씨 수직자기기록매체
JP5725735B2 (ja) 2010-06-04 2015-05-27 株式会社日立製作所 磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ
JP2012235015A (ja) * 2011-05-06 2012-11-29 Sony Corp 記憶素子及び記憶装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007157840A (ja) * 2005-12-01 2007-06-21 Sony Corp 記憶素子、メモリ
WO2009093387A1 (ja) * 2008-01-25 2009-07-30 Nec Corporation 磁気ランダムアクセスメモリ及びその初期化方法
JP2011155073A (ja) * 2010-01-26 2011-08-11 Hitachi Ltd 磁気抵抗効果素子、それを用いた磁気メモリセル及びランダムアクセスメモリ
JP2012064625A (ja) * 2010-09-14 2012-03-29 Sony Corp 記憶素子、メモリ装置

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109075252A (zh) * 2016-04-20 2018-12-21 索尼公司 磁存储元件
US11430497B2 (en) 2016-04-20 2022-08-30 Sony Corporation Magnetic storage element
CN109478593A (zh) * 2016-07-04 2019-03-15 株式会社电装 磁传感器
CN109937483A (zh) * 2016-12-13 2019-06-25 英特尔公司 垂直磁电自旋轨道逻辑
CN109937483B (zh) * 2016-12-13 2023-10-13 英特尔公司 垂直磁电自旋轨道逻辑
CN110021335A (zh) * 2018-01-09 2019-07-16 中电海康集团有限公司 磁性隧道结的数据保存时间的获取方法和装置
CN110021335B (zh) * 2018-01-09 2021-05-28 中电海康集团有限公司 磁性隧道结的数据保存时间的获取方法和装置
CN110880344A (zh) * 2018-09-06 2020-03-13 东芝存储器株式会社 磁存储装置
CN110880344B (zh) * 2018-09-06 2023-10-27 铠侠股份有限公司 磁存储装置
CN111613720A (zh) * 2019-02-25 2020-09-01 上海磁宇信息科技有限公司 一种磁性随机存储器存储单元及磁性随机存储器
CN111613720B (zh) * 2019-02-25 2022-09-09 上海磁宇信息科技有限公司 一种磁性随机存储器存储单元及磁性随机存储器
CN112038488A (zh) * 2020-09-04 2020-12-04 浙江驰拓科技有限公司 Mtj的制作方法和mtj

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