JP2001156357A - Magneto-resistance effect element and magnetic recording element - Google Patents

Magneto-resistance effect element and magnetic recording element

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JP2001156357A
JP2001156357A JP2000265663A JP2000265663A JP2001156357A JP 2001156357 A JP2001156357 A JP 2001156357A JP 2000265663 A JP2000265663 A JP 2000265663A JP 2000265663 A JP2000265663 A JP 2000265663A JP 2001156357 A JP2001156357 A JP 2001156357A
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magnetic
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Yoshiaki Saito
好昭 斉藤
Kentaro Nakajima
健太郎 中島
Koichiro Inomata
浩一郎 猪俣
Masayuki Sunai
正之 砂井
Tatsuya Kishi
達也 岸
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    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y25/00Nanomagnetism, e.g. magnetoimpedance, anisotropic magnetoresistance, giant magnetoresistance or tunneling magnetoresistance
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3254Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the spacer being semiconducting or insulating, e.g. for spin tunnel junction [STJ]
    • HELECTRICITY
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    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
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    • H01F10/32Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3268Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a magneto-resistance effect element wherein the increase of an applied voltage for a desired output voltage value causes less decrease in magneto-resistance change ratio, no writing rotates the magnetic moment of a part of the magnetization adhesion layer for gradual drop of an output, and an inversion magnetic field is designed at will. SOLUTION: A magneto-resistance effect element having a ferromagnetic double tunnel joint is provided where first anti-ferromagnetic layer 11/first ferromagnetic layer 12/first dielectrics layer 13/second ferromagnetic layer 14/second dielectrics layer 15/third ferromagnetic layer 16/second anti- ferromagnetic layer 17 are laminated. Here, the second ferromagnetic layer 14 of a free layer comprises a Co base alloy or a 3-layer film comprising Co base alloy/Ni-Fe alloy/Co base alloy, with first or third ferromagnetic layer applied with a tunnel current.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は強磁性二重トンネル
接合を有する磁気抵抗効果素子、およびそれを用いた磁
気記録素子に関する。
The present invention relates to a magnetoresistance effect element having a ferromagnetic double tunnel junction and a magnetic recording element using the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】磁気抵抗効果は強磁性体に磁場を印加す
ると電気抵抗が変化する現象である。この効果を利用し
た磁気抵抗効果素子(MR素子)は、温度安定性に優
れ、使用温度範囲が広いという特徴があるため、磁気ヘ
ッドや磁気センサーなどに用いられ、最近では磁気記録
素子(磁気抵抗効果メモリ、MRAM)なども試作され
るようになってきている。これらの磁気抵抗効果素子
は、外部磁界に対する感度が大きいこと、および応答ス
ピードが速いことが要求される。
2. Description of the Related Art The magnetoresistance effect is a phenomenon in which the electric resistance changes when a magnetic field is applied to a ferromagnetic material. A magnetoresistive effect element (MR element) using this effect has excellent temperature stability and a wide operating temperature range. Therefore, it is used for a magnetic head or a magnetic sensor. Effect memories, MRAM) and the like are also being prototyped. These magnetoresistive elements are required to have high sensitivity to an external magnetic field and a high response speed.

【0003】近年、2つの強磁性層の間に誘電体層を挿
入したサンドイッチ膜を有し、膜面に垂直に流れるトン
ネル電流を利用する磁気抵抗効果素子、いわゆる強磁性
トンネル接合素子(トンネル接合型磁気抵抗効果素子、
TMR)が見出されている。強磁性トンネル接合素子は
20%以上の磁気抵抗変化率を示す(J.Appl.P
hys.79,4724(1996))ため、磁気ヘッ
ドや磁気抵抗効果メモリへの応用の可能性が高まってき
た。しかし、この強磁性一重トンネル接合素子では、所
望の出力電圧値を得るために印加電圧を増やすと、磁気
抵抗変化率がかなり減少するという問題がある(Phy
s.Rev.Lett.74,3273(199
5))。
In recent years, a magnetoresistance effect element having a sandwich film in which a dielectric layer is inserted between two ferromagnetic layers and utilizing a tunnel current flowing perpendicularly to the film surface, a so-called ferromagnetic tunnel junction element (tunnel junction) Type magnetoresistive element,
TMR) has been found. A ferromagnetic tunnel junction device exhibits a magnetoresistance ratio of 20% or more (J. Appl.
hys. 79, 4724 (1996)), the possibility of application to magnetic heads and magnetoresistive memories has been increasing. However, this ferromagnetic single tunnel junction device has a problem that when the applied voltage is increased to obtain a desired output voltage value, the rate of change in magnetoresistance is considerably reduced (Phy).
s. Rev .. Lett. 74, 3273 (199
5)).

【0004】また、強磁性一重トンネル接合を構成する
一方の強磁性層に接して反強磁性層を設け、この強磁性
層を磁化固着層とした構造を有する強磁性一重トンネル
接合素子が提案されている(特開平10−4227)。
しかし、この強磁性一重トンネル接合素子でも同様に、
所望の出力電圧値を得るために印加電圧を増やすと、磁
気抵抗変化率がかなり減少するという問題がある。
Further, there has been proposed a ferromagnetic single tunnel junction device having a structure in which an antiferromagnetic layer is provided in contact with one ferromagnetic layer constituting a ferromagnetic single tunnel junction and this ferromagnetic layer is used as a magnetization fixed layer. (Japanese Patent Laid-Open No. 10-4227).
However, in this ferromagnetic single tunnel junction device,
When the applied voltage is increased to obtain a desired output voltage value, there is a problem that the rate of change in magnetoresistance is considerably reduced.

【0005】一方、Fe/Ge/Fe/Ge/Feとい
う積層構造を形成した強磁性二重トンネル接合を有する
磁気抵抗効果素子においては、スピン偏極共鳴トンネル
効果により大きなMR変化率が得られることが理論的に
予想されている(Phys.Rev.B56,5484
(1997))。しかし、これらは低温(8K)での結
果であり、室温で上記のような現象が起こることは予想
されていない。なお、この例ではAl23、SiO2
AlNなどの誘電体を用いていない。また、上記構造の
強磁性二重トンネル接合素子は、反強磁性層でピンされ
た強磁性層がないため、MRAM等に使用すると何度か
の書き込みによって磁化固着層の一部の磁気モーメント
が回転する結果、出力が徐々に低下するという問題があ
る。
On the other hand, in a magnetoresistive effect element having a ferromagnetic double tunnel junction having a laminated structure of Fe / Ge / Fe / Ge / Fe, a large MR ratio can be obtained due to the spin-polarized resonance tunnel effect. Is theoretically expected (Phys. Rev. B56, 5484).
(1997)). However, these are the results at low temperatures (8K), and it is not expected that the above-mentioned phenomenon will occur at room temperature. In this example, Al 2 O 3 , SiO 2 ,
No dielectric such as AlN is used. Further, the ferromagnetic double tunnel junction device having the above structure does not have a ferromagnetic layer pinned by an antiferromagnetic layer. As a result of the rotation, there is a problem that the output gradually decreases.

【0006】さらに、磁性粒子を分散させた誘電体層を
含む強磁性多重トンネル接合素子が提案されている(P
hys.Rev.B56(10),R5747(199
7));応用磁気学会誌23,4−2,(1999);
Appl.Phys.Lett.73(19),282
9(1998))。これらの素子でも20%以上の磁気
抵抗変化率が得られるようになったことから、磁気ヘッ
ドや磁気抵抗効果メモリへの応用が期待されている。特
に、強磁性二重トンネル接合素子は、印加電圧を増やし
ても磁気抵抗変化率の減少が小さいという利点がある。
しかし、これらの素子でも、反強磁性層でピンした強磁
性層がないため、MRAM等に使用すると何度かの書き
込みによって磁化固着層の一部の磁気モーメントが回転
する結果、出力が徐々に低下するという問題がある。ま
た、連続膜からなる強磁性層を用いた強磁性二重トンネ
ル接合素子(Appl.Phys.Lett.73(1
9),2829(1998))では、誘電体層に挟まれ
た強磁性層がCo,Ni80Fe20などの単層膜からなる
ため、電流磁界によって磁気モーメントを反転させるた
めの反転磁場を自由に設計できないという問題があるう
えに、磁歪の大きいCo等を加工すると保磁力が大きく
なるという問題もあった。
Further, a ferromagnetic multi-tunnel junction device including a dielectric layer in which magnetic particles are dispersed has been proposed (P.
hys. Rev .. B56 (10), R5747 (199
7)); Journal of the Japan Society of Applied Magnetics 23, 4-2, (1999);
Appl. Phys. Lett. 73 (19), 282
9 (1998)). Since these elements can achieve a magnetoresistance ratio of 20% or more, application to magnetic heads and magnetoresistance memories is expected. In particular, the ferromagnetic double tunnel junction element has an advantage that the decrease in the magnetoresistance ratio is small even when the applied voltage is increased.
However, even in these devices, since there is no ferromagnetic layer pinned by an antiferromagnetic layer, when used in an MRAM or the like, the magnetic moment of a part of the magnetization fixed layer is rotated by several writings, so that the output gradually increases. There is a problem of lowering. Further, a ferromagnetic double tunnel junction device using a ferromagnetic layer composed of a continuous film (Appl. Phys. Lett. 73 (1)
9), 2829 (1998)), since the ferromagnetic layer sandwiched between the dielectric layers is formed of a single layer film of Co, Ni 80 Fe 20 or the like, the reversal magnetic field for reversing the magnetic moment by the current magnetic field can be freely set. In addition, there is a problem that the coercive force is increased when Co or the like having large magnetostriction is processed.

【0007】強磁性トンネル接合素子をMRAMなどに
応用する場合、配線(ビット線またはワード線)に電流
を流すことにより、磁化が固定されていない強磁性層
(フリー層、磁気記録層)に外部磁界(電流磁界)を印
加して磁気記録層の磁化を反転させる。しかし、メモリ
セルの縮小とともに磁気記録層の磁化の反転に要する磁
界(スイッチング磁界)が増加し、書き込みのために配
線に大電流を流す必要がある。このため、MRAMの記
憶容量の増大とともに、書き込み時の消費電力が増加す
る。例えば、1Gb以上の高密度MRAMデバイスで
は、電流磁界による書き込み時に配線に流す電流密度が
増大し、配線が溶融するという問題が生じるおそれもあ
る。
When a ferromagnetic tunnel junction device is applied to an MRAM or the like, a current is applied to a wiring (bit line or word line) to externally connect a ferromagnetic layer (free layer, magnetic recording layer) whose magnetization is not fixed. A magnetic field (current magnetic field) is applied to reverse the magnetization of the magnetic recording layer. However, the magnetic field (switching magnetic field) required for reversing the magnetization of the magnetic recording layer increases as the memory cell shrinks, and a large current needs to flow through the wiring for writing. For this reason, the power consumption at the time of writing increases as the storage capacity of the MRAM increases. For example, in a high-density MRAM device of 1 Gb or more, there is a possibility that the current density flowing through the wiring at the time of writing by the current magnetic field increases, and the wiring may be melted.

【0008】このような問題に対処する1つの方法とし
て、スピン偏極したスピン電流を注入し、磁化反転を行
う試みがなされている(J.Mag.Mag.Ma
t.,159(1996)L1;J.Mag.Mag.
Mat.,202(1999)157)。しかし、スピ
ン電流を注入して磁化反転を行う方法では、TMR素子
を流れる電流密度が大きくなり、トンネル絶縁層が破壊
されるおそれがある。しかも、スピン注入に適した素子
構造は未だ提案されていない。
As one method for dealing with such a problem, an attempt has been made to inject a spin-polarized spin current to perform magnetization reversal (J. Mag. Mag. Ma.
t. , 159 (1996) L1; Mag. Mag.
Mat. , 202 (1999) 157). However, in the method of performing magnetization reversal by injecting a spin current, the current density flowing through the TMR element increases, and the tunnel insulating layer may be broken. Moreover, an element structure suitable for spin injection has not yet been proposed.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、所望
の出力電圧値を得るために印加電圧を増やしても磁気抵
抗変化率があまり減少せず、書き込みによって磁化固着
層の一部の磁気モーメントが回転して出力が徐々に低下
する問題がなく、さらに強磁性層のモーメントを反転さ
せるための反転磁場を自由に設計できるトンネル接合型
の磁気抵抗効果素子および磁気記録素子を提供すること
にある。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to increase the applied voltage in order to obtain a desired output voltage value, but the magnetoresistance ratio does not decrease so much. To provide a tunnel-junction magnetoresistive element and a magnetic recording element capable of freely designing a reversal magnetic field for reversing a moment of a ferromagnetic layer without causing a problem that a moment rotates and an output gradually decreases. is there.

【0010】本発明の他の目的は、メモリセルの縮小に
伴う磁気記録層の磁化を反転させるための反転磁場の増
加を抑制できるトンネル接合型の磁気抵抗効果素子およ
び磁気記録素子を提供することにある。
Another object of the present invention is to provide a tunnel junction type magnetoresistive element and a magnetic recording element capable of suppressing an increase in a reversal magnetic field for reversing the magnetization of a magnetic recording layer accompanying a reduction in a memory cell. It is in.

【0011】本発明のさらに他の目的は、スピン注入に
適した構造を有し、配線およびTMR素子に流れる電流
密度を抑えることができる磁気記録素子およびこの磁気
記録素子への書き込み方法を提供することにある。
Still another object of the present invention is to provide a magnetic recording element having a structure suitable for spin injection and capable of suppressing a current density flowing through wiring and a TMR element, and a method for writing to the magnetic recording element. It is in.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】本発明の第1の磁気抵抗
効果素子は、第1の反強磁性層/第1の強磁性層/第1
の誘電体層/第2の強磁性層/第2の誘電体層/第3の
強磁性層/第2の反強磁性層が積層された強磁性二重ト
ンネル接合を有する磁気抵抗効果素子であって、前記第
2の強磁性層がCo基合金またはCo基合金/Ni−F
e合金/Co基合金の三層膜からなり、前記第1ないし
第3の強磁性層にトンネル電流を流すことを特徴とす
る。
The first magnetoresistance effect element according to the present invention comprises a first antiferromagnetic layer / first ferromagnetic layer / first ferromagnetic layer.
A magnetoresistive effect element having a ferromagnetic double tunnel junction in which a dielectric layer of a second type / second ferromagnetic layer / second dielectric layer / third ferromagnetic layer / second antiferromagnetic layer is laminated The second ferromagnetic layer is made of a Co-based alloy or a Co-based alloy / Ni-F
It is formed of a three-layer film of an e-alloy / Co-based alloy, and is characterized in that a tunnel current flows through the first to third ferromagnetic layers.

【0013】本発明の第2の磁気抵抗効果素子は、第1
の強磁性層/第1の誘電体層/第2の強磁性層/第1の
反強磁性層/第3の強磁性層/第2の誘電体層/第4の
強磁性層が積層された強磁性二重トンネル接合を有する
磁気抵抗効果素子であって、前記第1および第4の強磁
性層がCo基合金またはCo基合金/Ni−Fe合金/
Co基合金の三層膜からなり、前記第1ないし第4の強
磁性層にトンネル電流を流すことを特徴とする。
[0013] The second magnetoresistive element of the present invention comprises a first magnetoresistive element.
Ferromagnetic layer / first dielectric layer / second ferromagnetic layer / first antiferromagnetic layer / third ferromagnetic layer / second dielectric layer / fourth ferromagnetic layer Wherein the first and fourth ferromagnetic layers are a Co-based alloy or a Co-based alloy / Ni-Fe alloy /
It comprises a three-layered film of a Co-based alloy, and is characterized in that a tunnel current flows through the first to fourth ferromagnetic layers.

【0014】本発明の第3の磁気抵抗効果素子は、第1
の反強磁性層/第1の強磁性層/第1の誘電体層/第2
の強磁性層/第2の反強磁性層/第3の強磁性層/第2
の誘電体層/第4の強磁性層/第3の反強磁性層が積層
された強磁性二重トンネル接合を有する磁気抵抗効果素
子であって、前記第1および第4の強磁性層または前記
第2および第3の強磁性層がCo基合金またはCo基合
金/Ni−Fe合金/Co基合金の三層膜からなり、前
記第1ないし第4の強磁性層にトンネル電流を流すこと
を特徴とする。
A third magnetoresistive element according to the present invention comprises a first magnetoresistive element.
Antiferromagnetic layer / first ferromagnetic layer / first dielectric layer / second
Ferromagnetic layer / second antiferromagnetic layer / third ferromagnetic layer / second
A magnetoresistive effect element having a ferromagnetic double tunnel junction in which a dielectric layer, a fourth ferromagnetic layer, and a third antiferromagnetic layer are stacked, wherein the first and fourth ferromagnetic layers or The second and third ferromagnetic layers are made of a Co-based alloy or a three-layered film of a Co-based alloy / Ni-Fe alloy / Co-based alloy, and a tunnel current flows through the first to fourth ferromagnetic layers. It is characterized by.

【0015】本発明の第4の磁気抵抗効果素子は、第1
の強磁性層/第1の誘電体層/第2の強磁性層/第1の
非磁性層/第3の強磁性層/第2の非磁性層/第4の強
磁性層/第2の誘電体層/第5の強磁性層が積層された
強磁性二重トンネル接合を有する磁気抵抗効果素子であ
って、互いに隣り合う第2、第3、第4の強磁性層が非
磁性層を介して反強磁性結合しており、前記第1および
第5の強磁性層がCo基合金またはCo基合金/Ni−
Fe合金/Co基合金の三層膜からなり、前記第1ない
し第5の強磁性層にトンネル電流を流すことを特徴とす
る。
[0015] The fourth magnetoresistive element of the present invention comprises a first magnetoresistive element.
Ferromagnetic layer / first dielectric layer / second ferromagnetic layer / first nonmagnetic layer / third ferromagnetic layer / second nonmagnetic layer / fourth ferromagnetic layer / second A magnetoresistive element having a ferromagnetic double tunnel junction in which a dielectric layer / fifth ferromagnetic layer is stacked, wherein second, third and fourth ferromagnetic layers adjacent to each other form a nonmagnetic layer. The first and fifth ferromagnetic layers are made of a Co-based alloy or a Co-based alloy / Ni-
A three-layer film of an Fe alloy / Co-based alloy is provided, and a tunnel current flows through the first to fifth ferromagnetic layers.

【0016】本発明の磁気抵抗効果素子においては、前
記Co基合金またはCo基合金/Ni−Fe合金/Co
基合金の三層膜の膜厚が、1〜5nmであることが好ま
しい。
In the magnetoresistance effect element according to the present invention, the Co-based alloy or the Co-based alloy / Ni--Fe alloy / Co
The thickness of the three-layer film of the base alloy is preferably 1 to 5 nm.

【0017】本発明の磁気記録素子は、トランジスタま
たはダイオードと、第1ないし第4のいずれかの磁気抵
抗効果素子とを具備したことを特徴とする。
The magnetic recording element of the present invention is characterized by comprising a transistor or a diode and any one of the first to fourth magnetoresistive elements.

【0018】本発明の磁気記録素子は、トランジスタま
たはダイオードと、第1または第3の磁気抵抗効果素子
とを具備した磁気記録素子において、前記磁気抵抗効果
素子の少なくとも最上層の反強磁性層がビットラインの
一部を構成していることを特徴とする。
According to a magnetic recording element of the present invention, in a magnetic recording element including a transistor or a diode and a first or third magnetoresistive element, at least an uppermost antiferromagnetic layer of the magnetoresistive element is formed. It is characterized by forming a part of a bit line.

【0019】本発明の他の磁気記録素子は、磁化方向が
固着された第1の磁化固着層と、第1の誘電体層と、磁
化方向が反転可能な磁気記録層と、第2の誘電体層と、
磁化方向が固着された第2の磁化固着層とを有し、前記
磁気記録層が、磁性層、非磁性層、および磁性層の三層
膜を含み、該三層膜を構成する2つの磁性層が反強磁性
結合しており、前記2つの磁化固着層の誘電体層に接す
る領域の磁化が実質的に反平行であることを特徴とす
る。
According to another magnetic recording element of the present invention, there is provided a first magnetization fixed layer having a fixed magnetization direction, a first dielectric layer, a magnetic recording layer whose magnetization direction is reversible, and a second dielectric layer. Body layers,
A second magnetization fixed layer having a fixed magnetization direction, wherein the magnetic recording layer includes a three-layer film of a magnetic layer, a non-magnetic layer, and a magnetic layer, and two magnetic layers forming the three-layer film. The layers are antiferromagnetically coupled, and the magnetizations of regions of the two pinned layers that are in contact with the dielectric layer are substantially antiparallel.

【0020】本発明のさらに他の磁気記録素子は、磁化
方向が固着された第1の磁化固着層と、第1の誘電体層
と、磁化方向が反転可能な磁気記録層と、第2の誘電体
層と、磁化方向が固着された第2の磁化固着層とを有
し、前記磁気記録層が、磁性層、非磁性層、および磁性
層の三層膜を含み、該三層膜を構成する2つの磁性層が
反強磁性結合しており、前記第2の磁化固着層が、磁性
層、非磁性層、および磁性層の三層膜を含み、該三層膜
を構成する2つの磁性層が反強磁性結合しており、前記
第1の磁化固着層の長さが、前記第2の磁化固着層およ
び前記磁気記録層の長さよりも長く形成されており、前
記2つの磁化固着層の誘電体層に接する領域の磁化が実
質的に反平行であることを特徴とする。
Still another magnetic recording element of the present invention comprises a first magnetization fixed layer having a fixed magnetization direction, a first dielectric layer, a magnetic recording layer whose magnetization direction is reversible, and a second magnetization fixed layer. A dielectric layer and a second magnetization fixed layer having a fixed magnetization direction, wherein the magnetic recording layer includes a three-layer film of a magnetic layer, a non-magnetic layer, and a magnetic layer; The constituent two magnetic layers are antiferromagnetically coupled, and the second magnetization pinned layer includes a three-layer film of a magnetic layer, a non-magnetic layer, and a magnetic layer. The magnetic layer is antiferromagnetically coupled, and the length of the first magnetization fixed layer is formed longer than the lengths of the second magnetization fixed layer and the magnetic recording layer. The magnetization of a region of the layer in contact with the dielectric layer is substantially antiparallel.

【0021】これらの磁気記録素子への書き込み方法
は、磁気記録素子を構成する前記第1または第2の磁化
固着層を通して前記磁気記録層にスピン電流を供給する
とともに、書き込み用の配線に電流を流して前記磁気記
録層に電流磁界を印加することを特徴とする。
In the method for writing to the magnetic recording element, a spin current is supplied to the magnetic recording layer through the first or second magnetization pinned layer constituting the magnetic recording element, and a current is supplied to the write wiring. And applying a current magnetic field to the magnetic recording layer.

【0022】[0022]

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る磁気抵抗効果
素子の基本構造を、図1〜図4を参照して説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The basic structure of a magnetoresistive element according to the present invention will be described below with reference to FIGS.

【0023】図1に本発明の第1の磁気抵抗効果素子を
示す。この磁気抵抗効果素子10では、第1の反強磁性
層11/第1の強磁性層12/第1の誘電体層13/第
2の強磁性層14/第2の誘電体層15/第3の強磁性
層16/第2の反強磁性層17を積層して強磁性二重ト
ンネル接合を形成している。この素子では、第1ないし
第3の強磁性層にトンネル電流を流す。この素子では、
第1および第3の強磁性層12、16がピン層(磁化固
着層)、第2の強磁性層14がフリー層(MRAMの場
合には磁気記録層)である。第1の磁気抵抗効果素子で
は、フリー層である第2の強磁性層14がCo基合金
(たとえばCo−Fe、Co−Fe−Niなど)または
Co基合金/Ni−Fe合金/Co基合金の三層膜から
なる。
FIG. 1 shows a first magnetoresistive element according to the present invention. In this magnetoresistance effect element 10, the first antiferromagnetic layer 11 / first ferromagnetic layer 12 / first dielectric layer 13 / second ferromagnetic layer 14 / second dielectric layer 15 / second The three ferromagnetic layers 16 / the second antiferromagnetic layers 17 are stacked to form a ferromagnetic double tunnel junction. In this element, a tunnel current flows through the first to third ferromagnetic layers. In this element,
The first and third ferromagnetic layers 12 and 16 are pinned layers (magnetic pinned layers), and the second ferromagnetic layer 14 is a free layer (magnetic recording layer in the case of MRAM). In the first magnetoresistance effect element, the second ferromagnetic layer 14 as a free layer is made of a Co-based alloy (for example, Co-Fe, Co-Fe-Ni, etc.) or a Co-based alloy / Ni-Fe alloy / Co-based alloy. Consisting of three layers.

【0024】図2に本発明の第2の磁気抵抗効果素子を
示す。この磁気抵抗効果素子20では、第1の強磁性層
21/第1の誘電体層22/第2の強磁性層23/第1
の反強磁性層24/第3の強磁性層25/第2の誘電体
層26/第4の強磁性層27を積層して強磁性二重トン
ネル接合を形成している。この素子では、第1ないし第
4の強磁性層にトンネル電流を流す。この素子では、第
2および第3の強磁性層23、25がピン層、第1およ
び第4の強磁性層21、27がフリー層(MRAMの場
合には磁気記録層)である。第2の磁気抵抗効果素子に
おいては、フリー層である第1および第4の強磁性層2
1、27がCo基合金(たとえばCo−Fe、Co−F
e−Niなど)またはCo基合金/Ni−Fe合金/C
o基合金の三層膜からなる。
FIG. 2 shows a second magnetoresistive element according to the present invention. In this magnetoresistive element 20, the first ferromagnetic layer 21 / first dielectric layer 22 / second ferromagnetic layer 23 / first ferromagnetic layer 23
The antiferromagnetic layer 24 / third ferromagnetic layer 25 / second dielectric layer 26 / fourth ferromagnetic layer 27 are stacked to form a ferromagnetic double tunnel junction. In this element, a tunnel current flows through the first to fourth ferromagnetic layers. In this element, the second and third ferromagnetic layers 23 and 25 are pin layers, and the first and fourth ferromagnetic layers 21 and 27 are free layers (magnetic recording layers in the case of MRAM). In the second magnetoresistance effect element, the first and fourth ferromagnetic layers 2 which are free layers
1, 27 are Co-based alloys (for example, Co-Fe, Co-F
e-Ni) or Co-based alloy / Ni-Fe alloy / C
It consists of a three-layer film of an o-based alloy.

【0025】図3に本発明の第3の磁気抵抗効果素子を
示す。この磁気抵抗効果素子30では、第1の反強磁性
層31/第1の強磁性層32/第1の誘電体層33/第
2の強磁性層34/第2の反強磁性層35/第3の強磁
性層36/第2の誘電体層37/第4の強磁性層38/
第3の反強磁性層39を積層して強磁性二重トンネル接
合を形成している。この素子では、第1ないし第4の強
磁性層にトンネル電流を流す。この素子では、第2およ
び第3の強磁性層34、36をピン層として設計した場
合には第1および第4の強磁性層32、38がフリー層
(MRAMの場合には磁気記録層)になる。一方、第1
および第4の強磁性層32、38をピン層として設計し
た場合には第2および第3の強磁性層34、36がフリ
ー層(MRAMの場合には磁気記録層)になる。第3の
磁気抵抗効果素子においては、フリー層として用いられ
る、第1および第4の強磁性層32、38、または第2
および第3の強磁性層34、36のいずれかの組がCo
基合金(たとえばCo−Fe、Co−Fe−Niなど)
またはCo基合金/Ni−Fe合金/Co基合金の三層
膜からなる。
FIG. 3 shows a third magnetoresistive element according to the present invention. In the magnetoresistive element 30, the first antiferromagnetic layer 31 / first ferromagnetic layer 32 / first dielectric layer 33 / second ferromagnetic layer 34 / second antiferromagnetic layer 35 / Third ferromagnetic layer 36 / second dielectric layer 37 / fourth ferromagnetic layer 38 /
The third antiferromagnetic layer 39 is stacked to form a ferromagnetic double tunnel junction. In this element, a tunnel current flows through the first to fourth ferromagnetic layers. In this device, when the second and third ferromagnetic layers 34 and 36 are designed as pinned layers, the first and fourth ferromagnetic layers 32 and 38 are free layers (magnetic recording layers in the case of MRAM). become. Meanwhile, the first
When the fourth and fourth ferromagnetic layers 32 and 38 are designed as pinned layers, the second and third ferromagnetic layers 34 and 36 become free layers (magnetic recording layers in the case of MRAM). In the third magnetoresistive element, the first and fourth ferromagnetic layers 32 and 38 or the second
And any pair of the third ferromagnetic layers 34 and 36 is made of Co.
Base alloy (for example, Co-Fe, Co-Fe-Ni, etc.)
Alternatively, it is formed of a three-layer film of a Co-based alloy / Ni-Fe alloy / Co-based alloy.

【0026】図4に本発明の第4の磁気抵抗効果素子を
示す。この磁気抵抗効果素子40では、第1の強磁性層
41/第1の誘電体層42/第2の強磁性層43/第1
の非磁性層44/第3の強磁性層45/第2の非磁性層
46/第4の強磁性層47/第2の誘電体層48/第5
の強磁性層49を積層して強磁性二重トンネル接合を形
成している。この素子では、第1ないし第5の強磁性層
にトンネル電流を流す。また、互いに隣り合う第2、第
3、第4の強磁性層43、45、47は非磁性層44、
46を介して反強磁性結合している。この素子では、第
2ないし第4の強磁性層43、45、47がピン層、第
1および第5の強磁性層41、49がフリー層(MRA
Mの場合には磁気記録層)である。第4の磁気抵抗効果
素子では、フリー層である第1および第5の強磁性層4
1、49がCo基合金(たとえばCo−Fe、Co−F
e−Niなど)またはCo基合金/Ni−Fe合金/C
o基合金の三層膜からなる。
FIG. 4 shows a fourth magnetoresistive element according to the present invention. In this magnetoresistive element 40, the first ferromagnetic layer 41 / first dielectric layer 42 / second ferromagnetic layer 43 / first ferromagnetic layer 43
Non-magnetic layer 44 / third ferromagnetic layer 45 / second non-magnetic layer 46 / fourth ferromagnetic layer 47 / second dielectric layer 48 / fifth
Are laminated to form a ferromagnetic double tunnel junction. In this element, a tunnel current flows through the first to fifth ferromagnetic layers. The second, third, and fourth ferromagnetic layers 43, 45, and 47 adjacent to each other include a nonmagnetic layer 44,
Antiferromagnetic coupling is provided via 46. In this device, the second to fourth ferromagnetic layers 43, 45, and 47 are pinned layers, and the first and fifth ferromagnetic layers 41 and 49 are free layers (MRA).
M, the magnetic recording layer). In the fourth magnetoresistance effect element, the first and fifth ferromagnetic layers 4 which are free layers
1, 49 are Co-based alloys (eg, Co-Fe, Co-F
e-Ni) or Co-based alloy / Ni-Fe alloy / C
It consists of a three-layer film of an o-based alloy.

【0027】図5に第4の磁気抵抗効果素子の変形例を
示す。図5の磁気抵抗効果素子では、図4の第3の強磁
性層45の代わりに、その強磁性層の中間に反強磁性層
を設けた構造すなわち強磁性層45a/反強磁性層50
/強磁性層45bの三層膜を形成している。
FIG. 5 shows a modification of the fourth magnetoresistive element. The magnetoresistive element of FIG. 5 has a structure in which an antiferromagnetic layer is provided in the middle of the third ferromagnetic layer 45 instead of the third ferromagnetic layer 45 of FIG.
/ A three-layer film of the ferromagnetic layer 45b is formed.

【0028】なお、第4の磁気抵抗効果素子を構成する
第2および第4の強磁性層43、47の少なくとも一方
に接触させて反強磁性層を設けてもよい。
An antiferromagnetic layer may be provided in contact with at least one of the second and fourth ferromagnetic layers 43 and 47 constituting the fourth magnetoresistance effect element.

【0029】本発明に係る強磁性二重トンネル接合を有
する磁気抵抗効果素子は、少なくとも2層の誘電体層を
有するので、1つのトンネル接合に実効的に印加される
電圧が小さい。このため、磁気抵抗変化率の電圧依存性
が顕著ではなく、所望の出力電圧値を得るために印加電
圧を増やしても磁気抵抗変化率の低下が少ないというメ
リットがある。
Since the magnetoresistance effect element having the ferromagnetic double tunnel junction according to the present invention has at least two dielectric layers, the voltage effectively applied to one tunnel junction is small. For this reason, there is an advantage that the voltage dependence of the magnetoresistance change rate is not remarkable, and the decrease in the magnetoresistance change rate is small even if the applied voltage is increased to obtain a desired output voltage value.

【0030】本発明に係る強磁性二重トンネル接合を有
する磁気抵抗効果素子は、上記の4つの基本構造のいず
れも、磁化固着層(ピン層)のスピンが反強磁性層また
は反強磁性結合により固定されているので、書き込みを
繰り返しても磁化固着層の磁気モーメントが回転するこ
とがなく、出力が徐々に低下するという問題を防止でき
る。
In the magnetoresistive element having a ferromagnetic double tunnel junction according to the present invention, in any of the above four basic structures, the magnetization fixed layer (pin layer) has an antiferromagnetic layer or an antiferromagnetic coupling spin. Therefore, the problem that the magnetic moment of the magnetization fixed layer does not rotate even when writing is repeated and the output gradually decreases can be prevented.

【0031】また、本発明に係る磁気抵抗効果素子で
は、フリー層(磁気記録層)に磁歪が小さいCo基合金
(Co−Fe,Co−Fe−Ni等)またはCo基合金
/Ni−Fe合金/Co基合金の三層膜を用いている。
フリー層は、図1における第2の強磁性層14、図2に
おける第1および第4の強磁性層21、27、図3にお
ける第1および第4の強磁性層32、38、または第2
および第3の強磁性層34、36のいずれかの組、図4
および図5における第1および第5の強磁性層41、4
9である。このため、反転磁場が小さく抑えられ、電流
磁界を印加するために配線に流す電流を小さくすること
ができる。フリー層にCo基合金/Ni−Fe合金/C
o基合金の三層膜を用いた場合、各層の膜厚比を変える
ことによって、反転磁場の大きさを自由に設計できる。
In the magnetoresistive element according to the present invention, the free layer (magnetic recording layer) has a Co-based alloy (Co-Fe, Co-Fe-Ni, etc.) or a Co-based alloy / Ni-Fe alloy with small magnetostriction. A three-layer film of / Co-based alloy is used.
The free layer is the second ferromagnetic layer 14 in FIG. 1, the first and fourth ferromagnetic layers 21 and 27 in FIG. 2, the first and fourth ferromagnetic layers 32 and 38 in FIG.
4 and any pair of the third ferromagnetic layers 34 and 36, FIG.
And the first and fifth ferromagnetic layers 41, 4 in FIG.
9 For this reason, the reversal magnetic field can be suppressed small, and the current flowing through the wiring for applying the current magnetic field can be reduced. Co-based alloy / Ni-Fe alloy / C for free layer
When a three-layered film of an o-based alloy is used, the magnitude of the switching magnetic field can be freely designed by changing the thickness ratio of each layer.

【0032】特に、図3の構造を有する磁気抵抗効果素
子では、反転磁場は磁性体の保磁力ではなく磁性体/反
強磁性体の界面に生じている交換磁場で決定される。そ
して、この交換磁場は第1および第3の反強磁性層3
1、39ならびに第2の反強磁性層35の種類、膜厚、
合金組成を変えることによって自由に設計できるという
利点がある。このため、図3の基本構造は、上述した4
つの基本構造のうちでも好ましい特性を示す。また、図
3の構造は、加工寸法がサブミクロンになり、接合面積
が非常に小さくなった場合に特に有効である。すなわ
ち、加工寸法がサブミクロンになった場合には、書き込
み磁場が加工ダメージやフリー層(磁気記録層)のドメ
インの影響によってばらつきやすくなる。これに対し
て、図3の構造のようにフリー層(磁気記録層)に接し
て反強磁性層が設けられている場合、書き込み磁場を交
換磁場に基づいて設計することができるため、書き込み
磁場のばらつきを回避できる。このため、素子の歩留り
も著しく向上することができる。
In particular, in the magnetoresistive element having the structure shown in FIG. 3, the reversal magnetic field is determined not by the coercive force of the magnetic material but by the exchange magnetic field generated at the interface between the magnetic material and the antiferromagnetic material. The exchange magnetic field is applied to the first and third antiferromagnetic layers 3.
1, 39 and the type and thickness of the second antiferromagnetic layer 35;
There is an advantage that it can be freely designed by changing the alloy composition. For this reason, the basic structure of FIG.
It shows favorable characteristics among the three basic structures. Further, the structure shown in FIG. 3 is particularly effective when the processing size is submicron and the bonding area is very small. That is, when the processing dimension becomes submicron, the write magnetic field tends to fluctuate due to processing damage and the influence of the domain of the free layer (magnetic recording layer). On the other hand, when the antiferromagnetic layer is provided in contact with the free layer (magnetic recording layer) as in the structure of FIG. 3, the write magnetic field can be designed based on the exchange magnetic field. Can be avoided. For this reason, the yield of the element can be significantly improved.

【0033】一方、本発明の磁気抵抗効果素子を微細加
工する際に、加工精度を上げるためには全体の膜厚が薄
いことが好ましい。この点では、図2、図4または図5
のように反強磁性層がなるべく少ない構造が好ましい。
On the other hand, when the magnetoresistance effect element of the present invention is finely processed, it is preferable that the entire film thickness is small in order to increase the processing accuracy. In this regard, FIG. 2, FIG. 4 or FIG.
It is preferable that the structure has as few antiferromagnetic layers as possible.

【0034】次に、本発明の磁気抵抗効果素子を構成す
る各層に用いられる材料について説明する。フリー層
(磁気記録層)には、上述したようにCo基合金(Co
−Fe,Co−Fe−Ni等)またはCo基合金/Ni
−Fe合金/Co基合金の三層膜が用いられる。また、
これらの合金にAg,Cu,Au,Al,Mg,Si,
Bi,Ta,B,C,O,N,Si,Pd,Pt,Z
r,Ir,W,Mo,Nbなどの非磁性元素を多少添加
してもよい。本発明の磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗効
果型磁気ヘッド、磁気記録素子、磁界センサー等に適用
することができ、これらの用途ではフリー層に一軸異方
性を付与することが好ましい。
Next, the materials used for each layer constituting the magnetoresistance effect element of the present invention will be described. As described above, the free layer (magnetic recording layer) has a Co-based alloy (Co
-Fe, Co-Fe-Ni, etc.) or Co-based alloy / Ni
-A three-layer film of an Fe alloy / Co-based alloy is used. Also,
Ag, Cu, Au, Al, Mg, Si,
Bi, Ta, B, C, O, N, Si, Pd, Pt, Z
Some non-magnetic elements such as r, Ir, W, Mo, and Nb may be added. The magnetoresistive element of the present invention can be applied to a magnetoresistive magnetic head, a magnetic recording element, a magnetic field sensor, and the like. In these applications, it is preferable to impart uniaxial anisotropy to the free layer.

【0035】フリー層の厚さは、0.1nm〜100n
mが好ましく、0.5〜50nmがより好ましく、1〜
5nmが最も好ましい。フリー層の厚さが1nm未満に
なると、フリー層が連続膜にならず、誘電体層中に強磁
性粒子が分散した、いわゆるグラニュラー構造となるお
それがある。この結果、接合特性の制御が困難になりス
イッチング磁場がばらつくおそれがあるうえに、微粒子
の大きさによっては室温で超常磁性となりMR変化率が
極端に低下するという問題も生じる。一方、フリー層の
厚さが5nmを超えると、磁気抵抗効果素子をMRAM
に応用するにあたり例えば0.25μmルールで素子を
設計したときに、反転磁場が100Oeを超えるため配
線に大電流を流す必要が生じる。また、フリー層の厚さ
が5nmを超えると、MR変化率がバイアス電圧の上昇
とともに低下する、いわゆるバイアス依存性が顕著にな
る。フリー層の厚さが1〜5nmの範囲であれば、微細
化に伴う反転磁場の増大およびMR変化率のバイアス依
存性が抑制される。また、フリー層の厚さがこの範囲で
あれば、加工精度も良好になる。
The thickness of the free layer is 0.1 nm to 100 n
m is preferable, and 0.5 to 50 nm is more preferable.
5 nm is most preferred. If the thickness of the free layer is less than 1 nm, the free layer may not be a continuous film, and may have a so-called granular structure in which ferromagnetic particles are dispersed in the dielectric layer. As a result, it becomes difficult to control the junction characteristics and the switching magnetic field may vary. In addition, depending on the size of the fine particles, the particles become superparamagnetic at room temperature and the MR change rate is extremely reduced. On the other hand, when the thickness of the free layer exceeds 5 nm, the magnetoresistive element is
For example, when an element is designed in accordance with the 0.25 μm rule, the switching magnetic field exceeds 100 Oe, so that a large current needs to flow through the wiring. When the thickness of the free layer exceeds 5 nm, the so-called bias dependency, in which the MR change rate decreases as the bias voltage increases, becomes remarkable. If the thickness of the free layer is in the range of 1 to 5 nm, the increase in the switching field and the bias dependency of the MR ratio due to miniaturization are suppressed. If the thickness of the free layer is within this range, the processing accuracy will be good.

【0036】ピン層の材料は特に制限されず、Fe,C
o,Niまたはこれらの合金、スピン分極率の大きいマ
グネタイト、CrO2、RXMnO3-y(R;希土類、
X;Ca,Ba,Sr)などの酸化物、NiMnSb,
PtMnSbなどのホイスラー合金などを用いることが
できる。ピン層は超常磁性にならない程度の厚さが必要
であり、0.4nm以上であることが好ましい。また、
強磁性を失わないかぎり、これら磁性体にAg,Cu,
Au,Al,Mg,Si,Bi,Ta,B,C,O,
N,Si,Pd,Pt,Zr,Ir,W,Mo,Nbな
どの非磁性元素を多少添加してもよい。
The material of the pinned layer is not particularly limited.
o, Ni or an alloy thereof, magnetite having a large spin polarizability, CrO 2 , RXMnO 3-y (R; rare earth,
X; oxides such as Ca, Ba, Sr), NiMnSb,
A Heusler alloy such as PtMnSb can be used. The pinned layer must have a thickness that does not cause superparamagnetism, and is preferably 0.4 nm or more. Also,
Unless the ferromagnetism is lost, Ag, Cu,
Au, Al, Mg, Si, Bi, Ta, B, C, O,
Some non-magnetic elements such as N, Si, Pd, Pt, Zr, Ir, W, Mo, and Nb may be added.

【0037】なお、反強磁性層によってピン層を強く固
定したい場合、ピン層として強磁性層/非磁性層/強磁
性層の三層膜を用い、非磁性層を介して積層された2層
の強磁性層を反強磁性結合させてもよい。非磁性層の材
料は特に限定されず、Ru,Ir,Cr,Cuなどの金
属を用いることができる。非磁性層の膜厚を調整するこ
とによって、磁性層間に反強磁性結合が生じる。非磁性
層の膜厚は0.5〜2.5nmであることが好ましい。
耐熱性および反強磁性結合の強さなどを考慮すると、非
磁性層の膜厚は0.7〜1.3nmであることがより好
ましい。具体的には、Co(またはCo−Fe)/Ru
/Co(またはCo−Fe),Co(またはCo−F
e)/Ir/Co(またはCo−Fe)などの三層膜が
挙げられる。
When the pinned layer is strongly fixed by the antiferromagnetic layer, a three-layered film of a ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer is used as the pinned layer, and the two layers laminated via the nonmagnetic layer are used. May be antiferromagnetically coupled. The material of the nonmagnetic layer is not particularly limited, and metals such as Ru, Ir, Cr, and Cu can be used. By adjusting the thickness of the nonmagnetic layer, antiferromagnetic coupling occurs between the magnetic layers. The thickness of the nonmagnetic layer is preferably 0.5 to 2.5 nm.
In consideration of heat resistance and the strength of antiferromagnetic coupling, the thickness of the nonmagnetic layer is more preferably 0.7 to 1.3 nm. Specifically, Co (or Co-Fe) / Ru
/ Co (or Co-Fe), Co (or Co-F)
e) A three-layer film such as / Ir / Co (or Co-Fe).

【0038】反強磁性層の材料としては、Fe−Mn,
Pt−Mn,Pt−Cr−Mn,Ni−Mn,Ir−M
n,NiO,Fe23などを用いることができる。
As a material for the antiferromagnetic layer, Fe--Mn,
Pt-Mn, Pt-Cr-Mn, Ni-Mn, Ir-M
n, NiO, Fe 2 O 3 or the like can be used.

【0039】誘電体層の材料としては、Al23,Si
2,MgO,AlN,Bi23,MgF2,CaF2
SrTiO2,AlLaO3などを用いることができる。
誘電体層は、酸素、窒素またはフッ素の欠損が生じてい
てもよい。誘電体層の厚さは特に限定されないが、薄い
方が好ましく、10nm以下、さらに5nm以下である
ことが好ましい。
As a material of the dielectric layer, Al 2 O 3 , Si
O 2 , MgO, AlN, Bi 2 O 3 , MgF 2 , CaF 2 ,
SrTiO 2 , AlLaO 3 or the like can be used.
The dielectric layer may be deficient in oxygen, nitrogen or fluorine. The thickness of the dielectric layer is not particularly limited, but is preferably thinner, preferably 10 nm or less, and more preferably 5 nm or less.

【0040】本発明の磁気抵抗効果素子が形成される基
板は特に限定されず、Si,SiO 2,Al23,スピ
ネル,AlNなど各種基板を用いることができる。本発
明においては、基板上に下地層を介して磁気抵抗効果素
子を積層してもよく、また磁気抵抗効果素子の上部に保
護層を設けてもよい。これらの下地層および保護層の材
料としては、Ta、Ti、W、Pt、Pd、Au、Ti
/Pt、Ta/Pt、Ti/Pd、Ta/Pd、または
TiNxなどの窒化物などを用いることが好ましい。
Base on which the magnetoresistive element of the present invention is formed
The plate is not particularly limited, and Si, SiO Two, AlTwoOThree, Spy
Various substrates such as tunneling and AlN can be used. Departure
In the light source, the magnetoresistive effect element is
May be stacked on top of each other.
A protective layer may be provided. Materials for these underlayers and protective layers
As materials, Ta, Ti, W, Pt, Pd, Au, Ti
/ Pt, Ta / Pt, Ti / Pd, Ta / Pd, or
It is preferable to use a nitride such as TiNx.

【0041】本発明に係る磁気抵抗効果素子は、各種ス
パッタ法、蒸着法、分子線エピタキシャル法などの通常
の成膜方法を用いて各層を形成することにより製造する
ことができる。
The magnetoresistive effect element according to the present invention can be manufactured by forming each layer using a normal film forming method such as various sputtering methods, vapor deposition methods, molecular beam epitaxy methods and the like.

【0042】次に、本発明の磁気抵抗効果素子を適用し
た磁気記録素子(MRAM)について説明する。本発明
の磁気抵抗効果素子を適用するMRAMは、非破壊読み
出しおよび破壊読み出しのいずれの場合でも、上述した
電流磁界を印加するために配線に流す電流を小さくでき
るという効果を得ることができる。
Next, a magnetic recording element (MRAM) to which the magnetoresistance effect element of the present invention is applied will be described. The MRAM to which the magnetoresistive element of the present invention is applied can obtain the effect that the current flowing through the wiring for applying the above-described current magnetic field can be reduced in both nondestructive readout and destructive readout.

【0043】具体的なMRAMの形態としては、トラン
ジスタ上に強磁性二重トンネル接合素子を積層した構
造、またはダイオードと強磁性二重トンネル接合素子と
を積層した構造が考えられている。以下で説明するよう
に、これらの構造では特に第1または第3の強磁性二重
トンネル接合素子を適用し、少なくとも最上層の反強磁
性層をビットラインの一部として用いることが好まし
い。
As a specific form of the MRAM, a structure in which a ferromagnetic double tunnel junction element is stacked on a transistor or a structure in which a diode and a ferromagnetic double tunnel junction element are stacked is considered. As described below, in these structures, it is particularly preferable to apply the first or third ferromagnetic double tunnel junction element and use at least the uppermost antiferromagnetic layer as a part of the bit line.

【0044】図6および図7を参照して、MOSトラン
ジスタ上に例えば第1の強磁性二重トンネル接合素子
(図1)を積層した構造を有するMRAMを説明する。
図6は3×3セルのMRAMの等価回路図、図7は1セ
ルのMRAMの断面図を示す。
Referring to FIGS. 6 and 7, an MRAM having a structure in which, for example, a first ferromagnetic double tunnel junction element (FIG. 1) is stacked on a MOS transistor will be described.
FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of a 3 × 3 cell MRAM, and FIG. 7 is a sectional view of a 1 cell MRAM.

【0045】図6の等価回路図に示すように、トランジ
スタ60と図1の強磁性二重トンネル接合素子(TM
R)10とからなる記録セルはマトリックス状に配列さ
れている。トランジスタ60のゲート電極からなる読み
出し用のワードライン(WL1)62と、書き込み用の
ワードライン(WL2)71とは平行に配置されてい
る。また、TMR10の他端(上部)と接続されたビッ
トライン(BL)74は、ワードライン(WL1)62
およびワードライン(WL2)71と直交して配置され
ている。
As shown in the equivalent circuit diagram of FIG. 6, the transistor 60 and the ferromagnetic double tunnel junction device (TM
R) 10 are arranged in a matrix. A read word line (WL1) 62 composed of the gate electrode of the transistor 60 and a write word line (WL2) 71 are arranged in parallel. The bit line (BL) 74 connected to the other end (upper part) of the TMR 10 is connected to a word line (WL1) 62.
And the word line (WL 2) 71.

【0046】図7に示すように、シリコン基板61、ゲ
ート電極62、ソース、ドレイン領域63、64からな
るトランジスタ60が形成されている。ゲート電極62
は読み出し用のワードライン(WL1)を構成してい
る。ゲート電極62上には絶縁層を介して書き込み用の
ワードライン(WL2)71が形成されている。トラン
ジスタ60のドレイン領域64にはコンタクトメタル7
2が接続され、さらにコンタクトメタル72には下地層
73が接続されている。この下地層73上の書き込み用
のワードライン(WL2)71の上方に対応する位置
に、図1に示したような強磁性二重トンネル接合素子
(TMR)10が形成されている。すなわち、下地層7
3上に、第1の反強磁性層11/第1の強磁性層(ピン
層)12/第1の誘電体層13/第2の強磁性層(フリ
ー層)14/第2の誘電体層15/第3の強磁性層(ピ
ン層)16a、16b/第2の反強磁性層17が積層さ
れている。この例では、ピン層を16a、16bの二層
で構成している。このTMR10の第2の反強磁性層1
7上にビットライン(BL)74の金属層が形成されて
いる。
As shown in FIG. 7, a transistor 60 including a silicon substrate 61, a gate electrode 62, source and drain regions 63 and 64 is formed. Gate electrode 62
Constitutes a read word line (WL1). A word line (WL2) 71 for writing is formed on the gate electrode 62 via an insulating layer. The contact metal 7 is formed in the drain region 64 of the transistor 60.
2 is connected, and a contact metal 72 is connected to a base layer 73. A ferromagnetic double tunnel junction device (TMR) 10 as shown in FIG. 1 is formed on the underlayer 73 at a position corresponding to above the write word line (WL2) 71. That is, the underlayer 7
3, a first antiferromagnetic layer 11 / first ferromagnetic layer (pinned layer) 12 / first dielectric layer 13 / second ferromagnetic layer (free layer) 14 / second dielectric Layer 15 / third ferromagnetic layer (pinned layer) 16a, 16b / second antiferromagnetic layer 17 are laminated. In this example, the pinned layer is composed of two layers 16a and 16b. The second antiferromagnetic layer 1 of this TMR 10
The metal layer of the bit line (BL) 74 is formed on the gate electrode 7.

【0047】図7に示すように、フリー層である第2の
強磁性層14の面積と上部の反強磁性層17およびピン
層16bの面積とは異なっており、上部の反強磁性層1
7およびピン層16bはビットライン74の一部を構成
している。すなわち、ビットライン74はピン層16b
/反強磁性層17/金属層の積層体からなっている。な
お、反強磁性層17の下に反強磁性層17と同一面積の
ピン層16bを設けずに、ビットライン74を反強磁性
層17/金属層で構成してもよい。
As shown in FIG. 7, the area of the second ferromagnetic layer 14, which is a free layer, is different from the areas of the upper antiferromagnetic layer 17 and the pinned layer 16b.
7 and the pin layer 16b constitute a part of the bit line 74. That is, the bit line 74 is connected to the pin layer 16b.
/ An antiferromagnetic layer 17 / a metal layer. Note that the bit line 74 may be configured by the antiferromagnetic layer 17 / metal layer without providing the pinned layer 16b having the same area as the antiferromagnetic layer 17 below the antiferromagnetic layer 17.

【0048】この構造では、大きな面積を有する反強磁
性層17によりピン層16b、16aのスピンをより安
定に固着することができ、書き込みを繰り返してもピン
層16b、16aの磁気モーメントが回転することがな
く、出力の低下を有効に防止できる。
In this structure, the spins of the pinned layers 16b and 16a can be more stably fixed by the antiferromagnetic layer 17 having a large area, and the magnetic moment of the pinned layers 16b and 16a rotates even if writing is repeated. Therefore, a decrease in output can be effectively prevented.

【0049】また、TMR10のフリー層14より上部
の構造は、フリー層14/第2の誘電体層15/ピン層
16aの成膜およびパターニングと、ピン層16b/反
強磁性層17/金属層の成膜およびパターニングにより
形成される。従来は、TMR10のフリー層14より上
部の構造は、フリー層14/第2の誘電体層15/ピン
層16/反強磁性層17の成膜およびパターニングと、
ビットライン金属層の成膜およびパターニングにより形
成されていた。したがって、図7の構造を採用すれば、
比較的膜厚の厚い反強磁性層17のパターニング工程が
別工程に分離されるので、上記の最初のパターニングで
は一度に微細加工すべき膜厚を薄くできる。このため、
強磁性トンネル接合部の加工ダメージを少なくできると
ともに、加工精度を向上できる。
The structure above the free layer 14 of the TMR 10 includes the formation and patterning of the free layer 14 / second dielectric layer 15 / pinned layer 16a and the pinned layer 16b / antiferromagnetic layer 17 / metal layer Is formed by film formation and patterning. Conventionally, the structure above the free layer 14 of the TMR 10 includes film formation and patterning of the free layer 14 / second dielectric layer 15 / pinned layer 16 / antiferromagnetic layer 17,
It was formed by forming and patterning a bit line metal layer. Therefore, if the structure of FIG. 7 is adopted,
Since the patterning step of the relatively thick antiferromagnetic layer 17 is separated into separate steps, the film thickness to be finely processed at once can be reduced in the first patterning. For this reason,
The processing damage of the ferromagnetic tunnel junction can be reduced and the processing accuracy can be improved.

【0050】図8および図9を参照して、ダイオードと
例えば第1の強磁性トンネル接合素子(図1)とを積層
した構造を有するMRAMを説明する。図8は3×3セ
ルのMRAMの等価回路図、図9はMRAMの斜視図で
ある。
An MRAM having a structure in which a diode and, for example, a first ferromagnetic tunnel junction device (FIG. 1) are stacked will be described with reference to FIGS. FIG. 8 is an equivalent circuit diagram of a 3 × 3 cell MRAM, and FIG. 9 is a perspective view of the MRAM.

【0051】図8の等価回路図に示すように、ダイオー
ド80とTMR10との積層体からなる記録セルはマト
リックス状に配列されている。ダイオード80とTMR
10との積層体はワードライン(WL)91上に形成さ
れ、ダイオード80の一端とワードライン(WL)91
とが接続されている。TMR10の他端には、ワードラ
イン(WL)91と直交して配置されたビットライン
(BL)92が接続されている。
As shown in the equivalent circuit diagram of FIG. 8, the recording cells composed of a stacked body of the diode 80 and the TMR 10 are arranged in a matrix. Diode 80 and TMR
10 is formed on a word line (WL) 91, and one end of the diode 80 and the word line (WL) 91 are formed.
And are connected. The other end of the TMR 10 is connected to a bit line (BL) 92 arranged orthogonally to the word line (WL) 91.

【0052】図9に示すように、ワードライン(WL)
91の金属層上にシリコンダイオード80が形成され、
その上に下地層81が形成されている。原子拡散を防ぐ
ために金属層とシリコンダイオードとの間にTiNxな
どの窒化膜を設けてもよい。この下地層81上に、図1
に示したような強磁性二重トンネル接合素子(TMR)
10が形成されている。すなわち、下地層81上に、第
1の反強磁性層11/第1の強磁性層(ピン層)12/
第1の誘電体層13/第2の強磁性層(フリー層)14
/第2の誘電体層15/第3の強磁性層(ピン層)16
a、16b/第2の反強磁性層17が積層されている。
この例では、ピン層を16a、16bの二層で構成して
いる。このTMR10の第2の反強磁性層17上にビッ
トライン(BL)92の金属層が形成されている。
As shown in FIG. 9, the word line (WL)
A silicon diode 80 is formed on the metal layer 91,
An underlayer 81 is formed thereon. A nitride film such as TiNx may be provided between the metal layer and the silicon diode to prevent atomic diffusion. On this underlayer 81, FIG.
Ferromagnetic double tunnel junction device (TMR) as shown in
10 are formed. That is, the first antiferromagnetic layer 11 / first ferromagnetic layer (pinned layer) 12 /
First dielectric layer 13 / second ferromagnetic layer (free layer) 14
/ Second dielectric layer 15 / third ferromagnetic layer (pinned layer) 16
a, 16b / second antiferromagnetic layer 17 are laminated.
In this example, the pinned layer is composed of two layers 16a and 16b. On the second antiferromagnetic layer 17 of the TMR 10, a metal layer of a bit line (BL) 92 is formed.

【0053】このような構造のMRAMでも、図7を参
照して説明したのと同様な効果が得られる。すなわち、
大きな面積を有する反強磁性層17によりピン層16
b、16aのスピンをより安定に固着することができ、
書き込みを繰り返してもピン層16b、16aの磁気モ
ーメントが回転することがなく、出力の低下を有効に防
止できる。また、比較的膜厚の厚い反強磁性層17のパ
ターニング工程が別工程に分離されるので、強磁性トン
ネル接合部の加工ダメージを少なくできるとともに、加
工精度を向上できる。
With the MRAM having such a structure, the same effect as that described with reference to FIG. 7 can be obtained. That is,
The pinned layer 16 is formed by the antiferromagnetic layer 17 having a large area.
The spins of b and 16a can be fixed more stably,
Even if writing is repeated, the magnetic moments of the pinned layers 16b and 16a do not rotate, and a decrease in output can be effectively prevented. Further, since the patterning step of the relatively thick antiferromagnetic layer 17 is separated into separate steps, processing damage to the ferromagnetic tunnel junction can be reduced and processing accuracy can be improved.

【0054】なお、MRAMの用途では、フリー層に強
磁性層/非磁性層/強磁性層の三層膜を使用し、非磁性
層を介して強磁性層を反強磁性結合させてもよい。この
ような構成では、磁束が三層膜内で閉じているため、電
流磁界によりフリー層の磁気モーメントを反転させたと
きに、ピン層への静磁場の影響がなくなるとともに、記
録層からの漏れ磁束を小さくできるため、スイッチング
磁界を小さくできる。このため、書き込みによって磁化
固着層の一部の磁気モーメントが回転して出力が徐々に
低下するという問題がなくなる。この構成では、強磁性
層/非磁性層/強磁性層のうち、電流磁界を印加するた
めのワード線に近い方の強磁性層を、よりソフトな強磁
性体で形成するか、膜厚をより厚くすることが好まし
い。三層膜を構成する2つの強磁性層の膜厚を異ならせ
る場合、膜厚の差を0.5〜5nmの範囲にすることが
好ましい。
In the application of the MRAM, a ferromagnetic layer / non-magnetic layer / ferromagnetic layer may be used as the free layer, and the ferromagnetic layer may be antiferromagnetically coupled via the non-magnetic layer. . In such a configuration, since the magnetic flux is closed in the three-layer film, when the magnetic field of the free layer is reversed by the current magnetic field, the influence of the static magnetic field on the pinned layer is eliminated, and the leakage from the recording layer is prevented. Since the magnetic flux can be reduced, the switching magnetic field can be reduced. For this reason, the problem that the magnetic moment of a part of the magnetization fixed layer is rotated by writing and the output gradually decreases does not occur. In this configuration, of the ferromagnetic layer / non-magnetic layer / ferromagnetic layer, the ferromagnetic layer closer to the word line for applying a current magnetic field is formed of a softer ferromagnetic material or has a smaller thickness. It is preferable to make it thicker. When the thicknesses of the two ferromagnetic layers constituting the three-layer film are made different, it is preferable that the difference between the thicknesses is in the range of 0.5 to 5 nm.

【0055】本発明に係る他のMRAMについて説明す
る。このMRAMは、磁化方向が固着された第1の磁化
固着層と、第1の誘電体層と、磁化方向が反転可能な磁
気記録層と、第2の誘電体層と、磁化方向が固着された
第2の磁化固着層とを有する強磁性二重トンネル接合素
子を含む。そして、磁気記録層は、磁性層、非磁性層、
および磁性層の三層膜を含み、この三層膜を構成する2
つの磁性層が反強磁性結合している。このように2つの
磁性層が反強磁性結合して磁気記録層で磁束が閉じてい
るので、スイッチング磁界を低減でき、配線に流す電流
密度を低減できる。また、2つの磁化固着層の誘電体層
に接する領域の磁化が実質的に反平行である。このた
め、2つの磁化固着層のうちどちらを通して磁気記録層
に電流を流すかを選択することによって、磁気記録層に
アップスピン電流またはダウンスピン電流を供給するか
を選択できる。このため、スピン電流の供給方向を変化
させて磁気記録層の磁化を容易に反転させることがで
き、TMR素子に流す電流を低減できる。このように、
このMRAMは、磁気記録層にスピン電流を供給すると
ともに電流磁界を印加するのに適した構造を有してお
り、配線およびTMR素子に流す電流密度を抑えること
ができる。
Next, another MRAM according to the present invention will be described. In this MRAM, a first magnetization fixed layer having a fixed magnetization direction, a first dielectric layer, a magnetic recording layer whose magnetization direction can be reversed, a second dielectric layer, and a magnetization direction fixed to each other. And a ferromagnetic double tunnel junction element having a second magnetization fixed layer. The magnetic recording layer includes a magnetic layer, a non-magnetic layer,
And a three-layer film of a magnetic layer.
The two magnetic layers are antiferromagnetically coupled. Since the two magnetic layers are antiferromagnetically coupled and the magnetic flux is closed in the magnetic recording layer, the switching magnetic field can be reduced, and the current density flowing through the wiring can be reduced. Further, the magnetizations of the regions of the two magnetization fixed layers that are in contact with the dielectric layer are substantially antiparallel. For this reason, by selecting which of the two magnetization fixed layers the current flows to the magnetic recording layer, it is possible to select whether to supply an up spin current or a down spin current to the magnetic recording layer. For this reason, the magnetization of the magnetic recording layer can be easily reversed by changing the supply direction of the spin current, and the current flowing through the TMR element can be reduced. in this way,
This MRAM has a structure suitable for supplying a spin current to the magnetic recording layer and for applying a current magnetic field, and can suppress the current density flowing through the wiring and the TMR element.

【0056】上記の強磁性二重トンネル接合素子を構成
する反強磁性結合した磁気記録層は強磁性層と非磁性金
属層とを交互に積層することによって容易に作製でき
る。反強磁性結合した磁気記録層は膜厚が薄い方が容易
に微細加工できるため、強磁性層/非磁性金属層/強磁
性層からなる三層膜であることが好ましい。また、反強
磁性結合した強磁性層として強磁性層/ソフト磁性層/
強磁性層からなる三層膜を用いてもよい。特に、強磁性
層としてCoxFe1-x(0.5≦x<1.0)を用いた
場合、2つのCoxFe1-x層の間に例えばNi−Fe合
金からなる薄いソフト磁性層を挿入すれば、スイッチン
グ磁界を格段に小さくすることができる。これは、Ni
−Fe合金層がfcc(111)配向であり、その上の
CoxFe1 -x層もfcc(111)配向となり、Cox
Fe1-x自体のスイッチング磁界が低減すること、およ
び強磁性層のトータルの磁化の値が小さくなることによ
る。
The antiferromagnetically coupled magnetic recording layer constituting the ferromagnetic double tunnel junction device can be easily manufactured by alternately laminating ferromagnetic layers and nonmagnetic metal layers. The antiferromagnetically-coupled magnetic recording layer is preferably a three-layer film composed of a ferromagnetic layer / a nonmagnetic metal layer / a ferromagnetic layer because the thinner the film thickness, the easier it can be microfabricated. In addition, a ferromagnetic layer / soft magnetic layer /
A three-layer film composed of a ferromagnetic layer may be used. In particular, when Co x Fe 1-x (0.5 ≦ x <1.0) is used as the ferromagnetic layer, a thin soft magnetic layer made of, for example, a Ni—Fe alloy is provided between the two Co x Fe 1-x layers. By inserting a layer, the switching magnetic field can be significantly reduced. This is Ni
-Fe alloy layer is fcc (111) orientation, Co x Fe 1 -x layer thereon also becomes fcc (111) orientation, Co x
This is because the switching magnetic field of Fe 1-x itself is reduced and the total magnetization value of the ferromagnetic layer is reduced.

【0057】したがって、反強磁性結合した磁気記録層
の例としては、(a)強磁性層/非磁性層/強磁性層、
(b)(強磁性層/ソフト磁性層/強磁性層)/非磁性
層/強磁性層、(c)(強磁性層/ソフト磁性層/強磁
性層)/非磁性層/(強磁性層/ソフト磁性層/強磁性
層)などが挙げられる。この場合、反強磁性結合の強さ
は0.5erg/cm2以上とある程度大きいことが好
ましい。磁化固着膜も、磁気記録層と同様な積層構造と
し、反強磁性結合させてもよい。
Therefore, examples of the anti-ferromagnetically coupled magnetic recording layer include (a) ferromagnetic layer / non-magnetic layer / ferromagnetic layer,
(B) (ferromagnetic layer / soft magnetic layer / ferromagnetic layer) / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer, (c) (ferromagnetic layer / soft magnetic layer / ferromagnetic layer) / nonmagnetic layer / (ferromagnetic layer) / Soft magnetic layer / ferromagnetic layer). In this case, the strength of the antiferromagnetic coupling is preferably as large as 0.5 erg / cm 2 or more. The magnetization fixed film may have a laminated structure similar to the magnetic recording layer, and may be antiferromagnetically coupled.

【0058】図10〜図12を参照して、このMRAM
に用いられる強磁性二重トンネル接合素子の例を説明す
る。
Referring to FIGS. 10 to 12, this MRAM
An example of a ferromagnetic double tunnel junction element used for the following will be described.

【0059】図10の強磁性二重トンネル接合素子は、
下地層101/第1の反強磁性層102/第1の磁化固
着層103/第1の誘電体層104/強磁性層105
a、非磁性層105bおよび強磁性層105cの三層膜
からなる磁気記録層105/第2の誘電体層106/第
2の磁化固着層107/第2の反強磁性層108/保護
層109を積層した構造を有する。
The ferromagnetic double tunnel junction device shown in FIG.
Underlayer 101 / first antiferromagnetic layer 102 / first magnetization pinned layer 103 / first dielectric layer 104 / ferromagnetic layer 105
a, the magnetic recording layer 105 / the second dielectric layer 106 / the second magnetization pinned layer 107 / the second antiferromagnetic layer 108 / the protective layer 109, which is a three-layer film of the nonmagnetic layer 105b and the ferromagnetic layer 105c. Are laminated.

【0060】磁気記録層105の強磁性層105aおよ
び強磁性層105cは反強磁性結合している。第1の誘
電体層104に接する第1の磁化固着層103と、第2
の誘電体層106に接する第2の磁化固着層107は、
それぞれの磁化が反平行になっている。
The ferromagnetic layers 105a and 105c of the magnetic recording layer 105 are antiferromagnetically coupled. A first magnetization fixed layer 103 in contact with the first dielectric layer 104;
The second magnetization fixed layer 107 in contact with the dielectric layer 106 of
Each magnetization is antiparallel.

【0061】図11の強磁性二重トンネル接合素子は、
下地層111/第1の反強磁性層112/第1の磁化固
着層113/第1の誘電体層114/強磁性層115
a、非磁性層115bおよび強磁性層115cの三層膜
からなる磁気記録層115/第2の誘電体層116/強
磁性層117a、非磁性層117bおよび強磁性層11
7cの三層膜からなる第2の磁化固着層117/第2の
反強磁性層118/保護層119を積層した構造を有す
る。
The ferromagnetic double tunnel junction device shown in FIG.
Underlayer 111 / first antiferromagnetic layer 112 / first magnetization pinned layer 113 / first dielectric layer 114 / ferromagnetic layer 115
a, a magnetic recording layer 115 / second dielectric layer 116 / ferromagnetic layer 117a, a nonmagnetic layer 117b, and a ferromagnetic layer 11 comprising a three-layer film of a nonmagnetic layer 115b and a ferromagnetic layer 115c.
7c has a structure in which a second magnetization fixed layer 117 / second antiferromagnetic layer 118 / protective layer 119 composed of a three-layer film is laminated.

【0062】磁気記録層115の強磁性層115aおよ
び強磁性層115cは反強磁性結合している。第2の磁
化固着層117の強磁性層117aおよび強磁性層11
7cは反強磁性結合している。第1の誘電体層114に
接する第1の磁化固着層113と、第2の誘電体層11
6に接する第2の磁化固着層117を構成する強磁性層
117aは、それぞれの磁化が反平行になっている。
The ferromagnetic layers 115a and 115c of the magnetic recording layer 115 are antiferromagnetically coupled. Ferromagnetic layer 117a and ferromagnetic layer 11 of second magnetization pinned layer 117
7c is antiferromagnetically coupled. A first magnetization fixed layer 113 in contact with the first dielectric layer 114 and a second dielectric layer 11
The magnetization of each of the ferromagnetic layers 117a constituting the second magnetization pinned layer 117 in contact with No. 6 is antiparallel.

【0063】この場合、第1の磁化固着層113の長さ
を、第2の磁化固着層117および磁気記録層115の
長さよりも長く形成して金属配線を兼ねるようにするこ
とが好ましい。このような構成では、第2の磁化固着層
117でも磁気記録層115でも磁束が閉じており、し
かも長く形成された第1の磁化固着層113からの漏れ
磁束はほとんど影響がないので、隣接する記録層への静
磁場の影響を低減できる。
In this case, it is preferable that the length of the first magnetization fixed layer 113 is formed longer than the lengths of the second magnetization fixed layer 117 and the magnetic recording layer 115 so that they also serve as metal wiring. In such a configuration, the magnetic flux is closed in both the second magnetization fixed layer 117 and the magnetic recording layer 115, and the leakage magnetic flux from the long first magnetization fixed layer 113 has almost no effect. The effect of the static magnetic field on the recording layer can be reduced.

【0064】図12の強磁性二重トンネル接合素子は、
下地層121/第1の反強磁性層122/強磁性層12
3a、非磁性層123bおよび強磁性層123cの三層
膜からなる第1の磁化固着層123/第1の誘電体層1
24/強磁性層125a、非磁性層125bおよび強磁
性層125cの三層膜からなる磁気記録層125/第2
の誘電体層126/強磁性層127a、非磁性層127
b、強磁性層127c、非磁性層127d、強磁性層1
27eの五層膜からなる第2の磁化固着層127/第2
の反強磁性層128/保護層129を積層した構造を有
する。
The ferromagnetic double tunnel junction device shown in FIG.
Underlayer 121 / first antiferromagnetic layer 122 / ferromagnetic layer 12
3a, first magnetic pinned layer 123 / first dielectric layer 1 comprising a three-layer film of nonmagnetic layer 123b and ferromagnetic layer 123c
24 / magnetic recording layer 125 composed of a three-layered film of ferromagnetic layer 125a, nonmagnetic layer 125b and ferromagnetic layer 125c / second
Dielectric layer 126 / ferromagnetic layer 127a, non-magnetic layer 127
b, ferromagnetic layer 127c, nonmagnetic layer 127d, ferromagnetic layer 1
27e / second magnetic pinned layer 127 / second
Has a structure in which the antiferromagnetic layer 128 / protective layer 129 are stacked.

【0065】磁気記録層125の強磁性層125aおよ
び強磁性層125cは反強磁性結合している。第1の磁
化固着層123の強磁性層123aおよび強磁性層12
3cは反強磁性結合している。第2の磁化固着層127
の強磁性層127a、強磁性層127cおよび強磁性層
127eは反強磁性結合している。第1の誘電体層11
4に接する第1の磁化固着層123を構成する強磁性層
123cと、第2の誘電体層126に接する第2の磁化
固着層127を構成する強磁性層127aは、それぞれ
の磁化が反平行になっている。この場合も、図11と同
様に、第1の磁化固着層123の長さを、第2の磁化固
着層117および磁気記録層115の長さよりも長く形
成してもよい。
The ferromagnetic layers 125a and 125c of the magnetic recording layer 125 are antiferromagnetically coupled. Ferromagnetic layer 123a and ferromagnetic layer 12 of first magnetization pinned layer 123
3c is antiferromagnetically coupled. Second magnetization fixed layer 127
The ferromagnetic layers 127a, 127c, and 127e are antiferromagnetically coupled. First dielectric layer 11
4 and the ferromagnetic layer 127a forming the second magnetization fixed layer 127 that is in contact with the second dielectric layer 126, the respective magnetizations are antiparallel. It has become. Also in this case, similarly to FIG. 11, the length of the first magnetization fixed layer 123 may be formed longer than the lengths of the second magnetization fixed layer 117 and the magnetic recording layer 115.

【0066】図13に、図11の強磁性二重トンネル接
合素子を用いたMRAMの断面図を示す。Si基板15
1上のSiO2絶縁層には溝が形成され、この溝に埋め
込まれた金属からなるワードライン152が形成されて
いる。ワードライン152上にはSiO2絶縁層が形成
され、その上に金属配線153と強磁性二重トンネル接
合素子(TMR素子)が形成されている。このTMR素
子は、図11に示すように下地層111/第1の反強磁
性層112/第1の磁化固着層113/第1の誘電体層
114/強磁性層115a、非磁性層115bおよび強
磁性層115cの三層膜からなる磁気記録層115/第
2の誘電体層116/強磁性層117a、非磁性層11
7bおよび強磁性層117cの三層膜からなる第2の磁
化固着層117/第2の反強磁性層118/保護層11
9を積層した構造を有する。このTMR素子は所定の接
合面積となるように加工されており、その周囲には層間
絶縁膜が成膜されている。この層間絶縁膜上には、TM
R素子の保護層119と接続するビットライン154が
形成されている。
FIG. 13 is a sectional view of an MRAM using the ferromagnetic double tunnel junction device of FIG. Si substrate 15
A groove is formed in the SiO 2 insulating layer 1 above, and a word line 152 made of metal embedded in the groove is formed. An SiO 2 insulating layer is formed on the word line 152, and a metal wiring 153 and a ferromagnetic double tunnel junction element (TMR element) are formed thereon. As shown in FIG. 11, the TMR element includes a base layer 111 / first antiferromagnetic layer 112 / first magnetization pinned layer 113 / first dielectric layer 114 / ferromagnetic layer 115a, a nonmagnetic layer 115b, Magnetic recording layer 115 composed of three layers of ferromagnetic layer 115c / second dielectric layer 116 / ferromagnetic layer 117a, nonmagnetic layer 11
Magnetization fixed layer 117 / second antiferromagnetic layer 118 / protective layer 11 composed of a three-layered film of ferromagnetic layer 7b and ferromagnetic layer 117c
9 are laminated. The TMR element is processed so as to have a predetermined bonding area, and an interlayer insulating film is formed around the TMR element. On this interlayer insulating film, TM
A bit line 154 connected to the protection layer 119 of the R element is formed.

【0067】このMRAMでは、ワードライン152に
電流を流して磁気記録層115に電流磁界(例えば困難
軸方向)を印加するとともに、ビットライン154から
各層を通して磁気記録層115へダウンスピン電流を注
入するか、または金属配線153から各層を通して磁気
記録層115へアップスピン電流を注入することによ
り、磁気記録層115の磁化を反転させて書き込みを行
う。このように、磁気記録層115にスピン電流を注入
するとともに電流磁界を印加して書き込みを行えば、T
MR素子に流すスピン電流を低減するとともに配線(ワ
ードライン)に流す電流密度を低減することができる。
したがって、1Gb以上のMRAMでも、配線の溶融ま
たはTMR素子のトンネルバリア層(誘電体層)の破壊
を抑制することができ、信頼性を向上できる。
In this MRAM, a current is applied to the word line 152 to apply a current magnetic field (for example, in the hard axis direction) to the magnetic recording layer 115, and a down spin current is injected from the bit line 154 to the magnetic recording layer 115 through each layer. Alternatively, by injecting an up-spin current from the metal wiring 153 to the magnetic recording layer 115 through each layer, the magnetization of the magnetic recording layer 115 is inverted to perform writing. As described above, when the spin current is injected into the magnetic recording layer 115 and the current magnetic field is applied to perform the writing, the T
The spin current flowing through the MR element can be reduced, and the current density flowing through the wiring (word line) can be reduced.
Therefore, even in the MRAM of 1 Gb or more, the melting of the wiring or the destruction of the tunnel barrier layer (dielectric layer) of the TMR element can be suppressed, and the reliability can be improved.

【0068】なお、図13のMRAMでは、ビットライ
ン154を流れる電流は磁気記録層115に、ワードラ
イン152からの電流磁界とは方向の異なる(例えば容
易軸方向の)電流磁界を印加するように作用する。この
方向の電流磁界を増強するとともにその制御性を向上
し、一方で磁気記録層115へ注入するスピン電流をよ
り低減するために、図14に示すように、ビットライン
154上に絶縁層155、およびビットライン154と
平行に延びる第2ワードライン156を形成してもよ
い。図14のMRAMでは、TMR素子に流す電流の向
きの変化と、第2ワードライン156に流す電流の向き
の変化を併用して、より小さい電流で磁気記録層115
の磁化の反転を繰り返すことができる。
In the MRAM shown in FIG. 13, the current flowing through the bit line 154 is applied to the magnetic recording layer 115 so as to apply a current magnetic field having a direction different from the current magnetic field from the word line 152 (for example, in the easy axis direction). Works. In order to increase the current magnetic field in this direction and improve its controllability, while further reducing the spin current injected into the magnetic recording layer 115, as shown in FIG. And a second word line 156 extending parallel to the bit line 154. In the MRAM shown in FIG. 14, the change in the direction of the current flowing through the TMR element and the change in the direction of the current flowing through the second word line 156 are used together, so that the magnetic recording layer 115 can be reduced with a smaller current.
Can be repeated.

【0069】次に、本発明の磁気抵抗効果素子を適用し
た磁気抵抗効果ヘッドについて説明する。
Next, a magnetoresistive head to which the magnetoresistive element of the present invention is applied will be described.

【0070】図15は本発明に係る強磁性二重トンネル
接合素子を含む磁気抵抗効果ヘッドを搭載した磁気ヘッ
ドアセンブリの斜視図である。アクチュエータアーム2
01は、磁気ディスク装置内の固定軸に固定されるため
の穴が設けられ、図示しない駆動コイルを保持するボビ
ン部等を有する。アクチュエータアーム201の一端に
はサスペンション202が固定されている。サスペンシ
ョン202の先端には上述した各形態の強磁性二重トン
ネル接合素子を含む磁気抵抗効果ヘッドを搭載したヘッ
ドスライダ203が取り付けられている。また、サスペ
ンション202には信号の書き込みおよび読み取り用の
リード線204が配線され、このリード線204の一端
はヘッドスライダ203に組み込まれた磁気抵抗効果ヘ
ッドの各電極に接続され、リード線204の他端は電極
パッド205に接続されている。
FIG. 15 is a perspective view of a magnetic head assembly equipped with a magnetoresistive head including a ferromagnetic double tunnel junction element according to the present invention. Actuator arm 2
Reference numeral 01 is provided with a hole for fixing to a fixed shaft in the magnetic disk drive, and has a bobbin and the like for holding a drive coil (not shown). A suspension 202 is fixed to one end of the actuator arm 201. At the tip of the suspension 202, a head slider 203 mounted with a magnetoresistive head including the above-described ferromagnetic double tunnel junction element is mounted. A lead wire 204 for writing and reading signals is wired to the suspension 202, and one end of the lead wire 204 is connected to each electrode of the magnetoresistive head incorporated in the head slider 203. The end is connected to the electrode pad 205.

【0071】図16は図15に示す磁気ヘッドアセンブ
リを搭載した磁気ディスク装置の内部構造を示す斜視図
である。磁気ディスク211はスピンドル212に装着
され、図示しない駆動装置制御部からの制御信号に応答
する図示しないモータにより回転する。図15のアクチ
ュエータアーム201は固定軸213に固定され、サス
ペンション202およびその先端のヘッドスライダ20
3を支持している。磁気ディスク211が回転すると、
ヘッドスライダ203の媒体対向面は磁気ディスク21
1の表面から所定量浮上した状態で保持され、情報の記
録再生を行う。アクチュエータアーム201の基端には
リニアモータの1種であるボイスコイルモータ214が
設けられている。ボイスコイルモータ214はアクチュ
エータアーム201のボビン部に巻き上げられた図示し
ない駆動コイルとこのコイルを挟み込むように対向して
配置された永久磁石および対向ヨークからなる磁気回路
とから構成される。アクチュエータアーム201は固定
軸213の上下2個所に設けられた図示しないボールベ
アリングによって保持され、ボイスコイルモータ214
により回転摺動が自在にできるようになっている。
FIG. 16 is a perspective view showing the internal structure of a magnetic disk drive on which the magnetic head assembly shown in FIG. 15 is mounted. The magnetic disk 211 is mounted on a spindle 212 and is rotated by a motor (not shown) which responds to a control signal from a drive controller (not shown). An actuator arm 201 shown in FIG. 15 is fixed to a fixed shaft 213, and a suspension 202 and a head slider 20 at the tip thereof are provided.
3 is supported. When the magnetic disk 211 rotates,
The medium facing surface of the head slider 203 is
1 is held in a state of floating a predetermined amount from the surface of the recording medium 1 to record and reproduce information. At the base end of the actuator arm 201, a voice coil motor 214, which is a kind of linear motor, is provided. The voice coil motor 214 includes a drive coil (not shown) wound around a bobbin portion of the actuator arm 201, and a magnetic circuit including a permanent magnet and an opposed yoke which are arranged to face each other so as to sandwich the coil. The actuator arm 201 is held by ball bearings (not shown) provided at two positions above and below the fixed shaft 213.
This allows the slide to rotate freely.

【0072】磁気抵抗効果ヘッドの用途では、第1、第
2および第4の強磁性二重トンネル接合素子(図1,図
2および図4)を用いることが好ましく、第1の強磁性
二重トンネル接合素子を用いることがより好ましい。ま
た、磁気抵抗効果ヘッドの用途では、磁場中成膜または
磁場中熱処理により、隣り合うピン層とフリー層のスピ
ンをほぼ直交させることが好ましい。このようにすれ
ば、磁気ディスクからの漏れ磁場に対して線形応答が得
られ、どのようなヘッド構造でも使用できる。
For use of the magnetoresistive head, it is preferable to use first, second and fourth ferromagnetic double tunnel junction elements (FIGS. 1, 2 and 4). It is more preferable to use a tunnel junction element. In addition, in the application of the magnetoresistive head, it is preferable that the spins of the adjacent pin layer and the free layer are made almost orthogonal by film formation in a magnetic field or heat treatment in a magnetic field. In this way, a linear response to a magnetic field leaking from the magnetic disk can be obtained, and any head structure can be used.

【0073】[0073]

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。 実施例1 Si/SiO2基板またはSiO2基板上に図1に示すよ
うな構造を有する2種の強磁性二重トンネル接合素子
(試料Aおよび試料B)を作製した例を説明する。
Embodiments of the present invention will be described below. Example 1 An example in which two types of ferromagnetic double tunnel junction devices (sample A and sample B) having a structure as shown in FIG. 1 are formed on a Si / SiO 2 substrate or a SiO 2 substrate will be described.

【0074】試料Aは、Ta下地層、Fe−Mn/Ni
−Feの二層膜からなる第1の反強磁性層、CoFeか
らなる第1の強磁性層、Al23からなる第1の誘電体
層、Co9Feからなる第2の強磁性層、Al23から
なる第2の誘電体層、CoFeからなる第3の強磁性
層、Ni−Fe/Fe−Mnの二層膜からなる第2の反
強磁性層、Ta保護層を順次積層した構造を有する。
Sample A was made of a Ta underlayer, Fe--Mn / Ni
A first antiferromagnetic layer made of a two-layered film of Fe, a first ferromagnetic layer made of CoFe, a first dielectric layer made of Al 2 O 3, and a second ferromagnetic layer made of Co 9 Fe , A second dielectric layer composed of Al 2 O 3, a third ferromagnetic layer composed of CoFe, a second antiferromagnetic layer composed of a Ni—Fe / Fe—Mn bilayer, and a Ta protective layer. It has a laminated structure.

【0075】試料Bは、Ta下地層、Ir−Mnからな
る第1の反強磁性層、Co−Feからなる第1の強磁性
層、Al23からなる第1の誘電体層、CoFe/Ni
−Fe/CoFeの三層膜からなる第2の強磁性層、A
23からなる第2の誘電体層、CoFeからなる第3
の強磁性層、Ir−Mnからなる第2の反強磁性層、T
a保護層を順次積層した構造を有する。
Sample B was composed of a Ta underlayer, a first antiferromagnetic layer of Ir—Mn, a first ferromagnetic layer of Co—Fe, a first dielectric layer of Al 2 O 3 , / Ni
A second ferromagnetic layer comprising a three-layer film of Fe / CoFe, A
a second dielectric layer made of l 2 O 3 and a third dielectric layer made of CoFe
Ferromagnetic layer, a second antiferromagnetic layer made of Ir-Mn, T
a has a structure in which protective layers are sequentially laminated.

【0076】試料Aは以下のようにして作製した。基板
をスパッタ装置に入れ、初期真空度を1×10-7Tor
rに設定した後、Arを導入して所定の圧力に設定し
た。基板上に、Ta 5nm/Fe54Mn46 20nm
/Ni8Fe2 5nm/CoFe 3nm/Al23
1.7nm/Co9Fe 3nm/Al23 2nm/
CoFe 3nm/Ni8Fe2 5nm/Fe54Mn46
20nm/Ta 5nmを順次積層した。なお、Al
23は、純Arガス中でAlターゲットを用いてAlを
成膜した後、真空を破ることなく酸素を導入しプラズマ
酸素に曝すことによって形成した。
Sample A was prepared as follows. The substrate is placed in a sputtering apparatus, and the initial degree of vacuum is set to 1 × 10 −7 Torr.
After setting to r, Ar was introduced and set to a predetermined pressure. On the substrate, Ta 5 nm / Fe 54 Mn 46 20 nm
/ Ni 8 Fe 2 5 nm / CoFe 3 nm / Al 2 O 3
1.7 nm / Co 9 Fe 3 nm / Al 2 O 3 2 nm /
CoFe 3 nm / Ni 8 Fe 2 5 nm / Fe 54 Mn 46
20 nm / Ta 5 nm were sequentially laminated. In addition, Al
2 O 3 was formed by forming an Al film using an Al target in pure Ar gas, introducing oxygen without breaking vacuum, and exposing the film to plasma oxygen.

【0077】上記積層膜を成膜した後、フォトリソグラ
フィ技術により最上部のTa保護層上に100μm幅の
下部配線形状を規定する第1のレジストパターンを形成
し、イオンミリング技術を用いて加工した。
After forming the above laminated film, a first resist pattern defining a lower wiring shape having a width of 100 μm was formed on the uppermost Ta protective layer by a photolithography technique, and processed by an ion milling technique. .

【0078】次に、第1のレジストパターンを除去した
後、フォトリソグラフィ技術により最上部のTa保護層
上に接合寸法を規定する第2のレジストパターンを形成
し、イオンミリング技術を用いて第1のAl23より上
部のCo9Fe/Al23/CoFe/Ni−Fe/F
e−Mn/Taを加工した。第2のレジストパターンを
残したまま、電子ビーム蒸着により厚さ300nmのA
23を堆積した後、第2のレジストパターンおよびそ
の上のAl23をリフトオフし、接合部以外の部分に層
間絶縁膜を形成した。
Next, after removing the first resist pattern, a second resist pattern for defining a junction size is formed on the uppermost Ta protective layer by a photolithography technique, and the first resist pattern is formed by an ion milling technique. Co 9 than the Al 2 O 3 in the upper Fe / Al 2 O 3 / CoFe / Ni-Fe / F
e-Mn / Ta was processed. With the second resist pattern left, 300 nm thick A was deposited by electron beam evaporation.
After depositing l 2 O 3 , the second resist pattern and the Al 2 O 3 thereon were lifted off, and an interlayer insulating film was formed at a portion other than the junction.

【0079】次いで、電極配線の形成領域以外の領域を
覆う第3のレジストパターンを形成した後、表面を逆ス
パッタしてクリーニングした。全面にAlを堆積した
後、第3のレジストパターンおよびその上のAlをリフ
トオフして、Al電極配線を形成した。その後、磁場中
熱処理炉に導入し、ピン層に一方向異方性を導入した。
Next, after forming a third resist pattern covering an area other than the electrode wiring forming area, the surface was reverse-sputtered and cleaned. After depositing Al on the entire surface, the third resist pattern and the Al thereon were lifted off to form an Al electrode wiring. Thereafter, the pin layer was introduced into a heat treatment furnace in a magnetic field to introduce unidirectional anisotropy.

【0080】試料Bは以下のようにして作製した。基板
をスパッタ装置に入れ、初期真空度を1×10-7Tor
rに設定した後、Arを導入して所定の圧力に設定し
た。基板上に、Ta 5nm/Ir22Mn78 20nm
/CoFe 3nm/Al231.5nm/CoFe
1nm/Ni8Fe2 t(t=1、2または3nm)/
CoFe 1nm/Al23 1.8nm/CoFe
3nm/Ir22Mn7820nm/Ta 5nmを順次積
層した。Al23は上記と同様な方法により形成した。
Sample B was prepared as follows. The substrate is placed in a sputtering apparatus, and the initial degree of vacuum is set to 1 × 10 −7 Torr.
After setting to r, Ar was introduced and set to a predetermined pressure. On the substrate, Ta 5 nm / Ir 22 Mn 78 20 nm
/ CoFe 3 nm / Al 2 O 3 1.5 nm / CoFe
1 nm / Ni 8 Fe 2 t (t = 1, 2 or 3 nm) /
CoFe 1 nm / Al 2 O 3 1.8 nm / CoFe
3 nm / Ir 22 Mn 78 20 nm / Ta 5 nm were sequentially laminated. Al 2 O 3 was formed by the same method as described above.

【0081】上記積層膜を成膜した後、フォトリソグラ
フィ技術により最上部のTa保護層上に100μm幅の
下部配線形状を規定する第1のレジストパターンを形成
し、イオンミリング技術を用いて加工した。次に、第1
のレジストパターンを除去した後、フォトリソグラフィ
技術により最上部のTa保護層上に接合寸法を規定する
第2のレジストパターンを形成し、イオンミリング技術
を用いて第1のAl23より上部のCoFe/Ni8
2/CoFe/Al23/CoFe/Ir22Mn78
Taを加工した。次いで、上記と同様にして、Al23
層間絶縁膜の形成、Al電極配線の形成、ピン層への一
方向異方性の導入を行った。
After forming the above-mentioned laminated film, a first resist pattern defining a lower wiring shape having a width of 100 μm was formed on the uppermost Ta protective layer by photolithography, and processed by ion milling. . Next, the first
After removing the resist pattern, a second resist pattern defining the junction size is formed on the uppermost Ta protective layer by photolithography, and the upper part of the first Al 2 O 3 is formed by ion milling. CoFe / Ni 8 F
e 2 / CoFe / Al 2 O 3 / CoFe / Ir 22 Mn 78 /
Ta was processed. Then, in the same manner as above, Al 2 O 3
Formation of an interlayer insulating film, formation of an Al electrode wiring, and introduction of unidirectional anisotropy into a pin layer were performed.

【0082】また、比較のために、以下のような試料C
および試料Dを作製した。試料Cは強磁性一重トンネル
接合素子であり、Ta/Ir−Mn/CoFe/Al2
3/CoFe/Ni−Fe/Taという積層構造を有
する。
For comparison, the following sample C was used.
And sample D was produced. Sample C is a ferromagnetic single tunnel junction device, and Ta / Ir—Mn / CoFe / Al 2
It has a laminated structure of O 3 / CoFe / Ni-Fe / Ta.

【0083】試料Dは反強磁性層を含まない強磁性二重
トンネル接合であり、Ta 5nm/CoPt 20n
m/Al23 1.5nm/CoFe 1nm/Ni8
Fe23nm/CoFe 1nm/Al23 1.8n
m/CoPt 20nm/Ta 5nmという積層構造
を有する。
Sample D is a ferromagnetic double tunnel junction not containing an antiferromagnetic layer, and is made of Ta 5 nm / CoPt 20n.
m / Al 2 O 3 1.5 nm / CoFe 1 nm / Ni 8
Fe 2 3nm / CoFe 1nm / Al 2 O 3 1.8n
It has a laminated structure of m / CoPt 20 nm / Ta 5 nm.

【0084】図17に試料AおよびBの磁気抵抗効果曲
線を示す。試料Aは25Oeという小さな磁場でMR変
化率27%が得られている。試料Bではフリー層(磁気
記録層)におけるNi8Fe2とCoFeとの膜厚比を変
えることで反転磁場を制御できることがわかる。すなわ
ち、Ni8Fe2の膜厚が1nm、2nm、3nmのと
き、それぞれ16Oe、36Oe、52Oeという小さ
な磁場で抵抗が大きく変化し、26%以上の大きなMR
変化率が得られている。
FIG. 17 shows the magnetoresistance effect curves of Samples A and B. Sample A has an MR ratio of 27% with a small magnetic field of 25 Oe. In sample B, it can be seen that the reversal magnetic field can be controlled by changing the film thickness ratio between Ni 8 Fe 2 and CoFe in the free layer (magnetic recording layer). That is, when the film thickness of Ni 8 Fe 2 is 1 nm, 2 nm, and 3 nm, the resistance greatly changes with a small magnetic field of 16 Oe, 36 Oe, and 52 Oe, respectively, and a large MR of 26% or more.
The rate of change is obtained.

【0085】図18に試料A、BおよびCについてMR
変化率の印加電圧依存性を示す。なお、この図ではMR
変化率を電圧0Vのときの値で規格化して示している。
この図から、試料AおよびBは、試料Cに比較して磁気
抵抗変化率の値が半分になる電圧V1/2が大きく、電圧
増大に伴うMR変化率の減少が小さいことがわかる。
FIG. 18 shows the MR of samples A, B and C.
4 shows the applied voltage dependence of the rate of change. In this figure, MR
The rate of change is normalized by a value at a voltage of 0 V.
From this figure, it can be seen that the samples A and B have a large voltage V 1/2 at which the value of the magnetoresistance change is halved compared to the sample C, and the decrease in the MR change with an increase in the voltage is small.

【0086】次に、試料A、BおよびDをソレノイドコ
イル中に置き、パルス磁界70Oe中で磁化固着層の磁
気記録状態の疲労試験を行った。図19に試料A、Bお
よびDについて、パルス磁場の反転回数と出力電圧との
関係を示す。この図では、出力電圧を初期の出力電圧値
で規格化している。この図から明らかなように、試料D
ではパルス磁場の反転回数の増加に伴って出力電圧が著
しく低下している。これに対して、試料AおよびBは磁
化固着層の磁気記録状態の疲労は見られない。
Next, the samples A, B and D were placed in a solenoid coil, and a fatigue test of the magnetic recording state of the magnetization fixed layer was performed in a pulse magnetic field of 70 Oe. FIG. 19 shows the relationship between the number of reversals of the pulse magnetic field and the output voltage for samples A, B, and D. In this figure, the output voltage is normalized by the initial output voltage value. As apparent from this figure, the sample D
In the figure, the output voltage is remarkably reduced with an increase in the number of reversals of the pulse magnetic field. On the other hand, in the samples A and B, no fatigue of the magnetic recording state of the magnetization fixed layer is observed.

【0087】以上のように図1の構造を有する強磁性二
重トンネル接合素子は、磁気記録素子、磁気ヘッドに適
用した場合に好適な特性を示すことがわかる。
As described above, it can be seen that the ferromagnetic double tunnel junction device having the structure shown in FIG. 1 exhibits suitable characteristics when applied to a magnetic recording device and a magnetic head.

【0088】なお、誘電体層としてSiO2,AlN,
MgO,LaAlO3またはCaF2を用いた場合にも上
記と同様の傾向が見られた。
Note that SiO 2 , AlN,
When MgO, LaAlO 3 or CaF 2 was used, the same tendency as above was observed.

【0089】実施例2 Si/SiO2基板またはSiO2基板上に図2に示すよ
うな構造を有する2種の強磁性二重トンネル接合素子
(試料A2および試料B2)を作製した例を説明する。
Example 2 An example in which two types of ferromagnetic double tunnel junction devices (sample A2 and sample B2) having a structure as shown in FIG. 2 were formed on a Si / SiO 2 substrate or a SiO 2 substrate will be described. .

【0090】試料A2は、Ta下地層、Ni−Fe/C
oFeの二層膜からなる第1の強磁性層、Al23から
なる第1の誘電体層、CoFeからなる第2の強磁性
層、Ir−Mnからなる反強磁性層、CoFeからなる
第3の強磁性層、Al23からなる第2の誘電体層、C
oFe/Ni−Feの二層膜からなる第4の強磁性層、
Ta保護層を順次積層した構造を有する。
Sample A2 was made of a Ta underlayer, Ni—Fe / C
a first ferromagnetic layer composed of a two-layer film of oFe, a first dielectric layer composed of Al 2 O 3, a second ferromagnetic layer composed of CoFe, an antiferromagnetic layer composed of Ir—Mn, and composed of CoFe A third ferromagnetic layer, a second dielectric layer of Al 2 O 3 , C
a fourth ferromagnetic layer comprising a two-layer film of oFe / Ni-Fe,
It has a structure in which Ta protective layers are sequentially laminated.

【0091】試料B2は、Ta下地層、Ni−Fe/R
u/CoFeの三層膜からなる第1の強磁性層、Al2
3からなる第1の誘電体層、CoFe/Ni−Feの
二層膜からなる第2の強磁性層、Fe−Mnからなる第
1の反強磁性層、Ni−Fe/CoFeの二層膜からな
る第3の強磁性層、Al23からなる第2の誘電体層、
CoFe/Ru/Ni−Feからなる第4の強磁性層、
Ta保護層を順次積層した構造を有する。
Sample B2 was made of a Ta underlayer, Ni--Fe / R
a first ferromagnetic layer composed of a three-layer film of u / CoFe, Al 2
A first dielectric layer composed of O 3, a second ferromagnetic layer composed of a two-layer film of CoFe / Ni—Fe, a first antiferromagnetic layer composed of Fe—Mn, and a two-layer of Ni—Fe / CoFe A third ferromagnetic layer made of a film, a second dielectric layer made of Al 2 O 3 ,
A fourth ferromagnetic layer made of CoFe / Ru / Ni-Fe,
It has a structure in which Ta protective layers are sequentially laminated.

【0092】試料A2は以下のようにして作製した。基
板をスパッタ装置に入れ、初期真空度を1×10-7To
rrに設定した後、Arを導入して所定の圧力に設定し
た。基板上に、Ta 3nm/Ni81Fe19 t(t=
3、5または8nm)/CoFe 1nm/Al23
1.2nm/CoFe 1nm/Ir22Mn78 17n
m/CoFe 1nm/Al23 1.6nm/CoF
e 1nm/Ni81Fe19 t(t=3、5または8n
m)/Ta 5nmを順次積層した。なお、Al2
3は、純Arガス中でAlターゲットを用いてAlを成
膜した後、真空を破ることなく酸素を導入しプラズマ酸
素に曝すことによって形成した。
The sample A2 was manufactured as follows. The substrate is placed in a sputtering apparatus, and the initial degree of vacuum is 1 × 10 −7 To.
After setting to rr, Ar was introduced and set to a predetermined pressure. On the substrate, Ta 3 nm / Ni 81 Fe 19 t (t =
3, 5 or 8 nm) / CoFe 1 nm / Al 2 O 3
1.2 nm / CoFe 1 nm / Ir 22 Mn 78 17n
m / CoFe 1 nm / Al 2 O 3 1.6 nm / CoF
e 1 nm / Ni 81 Fe 19 t (t = 3, 5 or 8n
m) / Ta 5 nm. In addition, Al 2 O
3, after forming the Al using an Al target in pure Ar gas, was formed by exposure to plasma of oxygen introduced oxygen without breaking the vacuum.

【0093】上記積層膜を成膜した後、フォトリソグラ
フィ技術により最上部のTa保護層上に100μm幅の
下部配線形状を規定する第1のレジストパターンを形成
し、イオンミリング技術を用いて加工した。
After the formation of the above-mentioned laminated film, a first resist pattern defining a lower wiring shape having a width of 100 μm was formed on the uppermost Ta protective layer by photolithography and processed by ion milling. .

【0094】次に、第1のレジストパターンを除去した
後、フォトリソグラフィ技術により最上部のTa保護層
上に接合寸法を規定する第2のレジストパターンを形成
し、イオンミリング技術を用いて第1のAl23より上
部のCoFe/Ir−Mn/CoFe/Al23/Co
Fe/Ni−Fe/Taを加工した。第2のレジストパ
ターンを残したまま、電子ビーム蒸着により厚さ300
nmのAl23を堆積した後、第2のレジストパターン
およびその上のAl23をリフトオフし、接合部以外の
部分に層間絶縁膜を形成した。
Next, after removing the first resist pattern, a second resist pattern for defining a junction size is formed on the uppermost Ta protective layer by a photolithography technique, and the first resist pattern is formed by an ion milling technique. of Al 2 O 3 from the top of CoFe / Ir-Mn / CoFe / Al 2 O 3 / Co
Fe / Ni-Fe / Ta was processed. With the second resist pattern remaining, a thickness of 300
After depositing 2 nm of Al 2 O 3 , the second resist pattern and the Al 2 O 3 thereon were lifted off to form an interlayer insulating film in portions other than the junction.

【0095】次いで、電極配線の形成領域以外の領域を
覆う第3のレジストパターンを形成した後、表面を逆ス
パッタしてクリーニングした。全面にAlを堆積した
後、第3のレジストパターンおよびその上のAlをリフ
トオフして、Al電極配線を形成した。その後、磁場中
熱処理炉に導入し、ピン層に一方向異方性を導入した。
Next, after forming a third resist pattern covering a region other than the region for forming the electrode wiring, the surface was cleaned by reverse sputtering. After depositing Al on the entire surface, the third resist pattern and the Al thereon were lifted off to form an Al electrode wiring. Thereafter, the pin layer was introduced into a heat treatment furnace in a magnetic field to introduce unidirectional anisotropy.

【0096】試料B2は以下のようにして作製した。基
板をスパッタ装置に入れ、初期真空度を1×10-7To
rrに設定した後、Arを導入して所定の圧力に設定し
た。基板上に、Ta 2nm/Ni81Fe19 6nm/
Ru 0.7nm/Co4Fe6 3nm/Al23
1.5nm/CoFe 1nm/Ni81Fe19 1nm
/Fe54Mn46 20nm/Ni81Fe19 1nm/C
oFe 1nm/Al 23 1.7nm/Co4Fe6
3nm/Ru 0.7nm/Ni81Fe19 6nm/T
a 5nmを順次積層した。Al23は上記と同様な方
法により形成した。
Sample B2 was prepared as follows. Base
The plate was placed in a sputtering apparatus, and the initial vacuum was 1 × 10-7To
After setting to rr, Ar was introduced and set to a predetermined pressure.
Was. On the substrate, Ta 2 nm / Ni81Fe19 6 nm /
Ru 0.7nm / CoFourFe6 3 nm / AlTwoOThree 
1.5 nm / CoFe 1 nm / Ni81Fe19 1 nm
/ Fe54Mn46 20nm / Ni81Fe19 1 nm / C
oFe 1nm / Al TwoOThree 1.7 nm / CoFourFe6 
3nm / Ru 0.7nm / Ni81Fe19 6nm / T
a 5 nm was sequentially laminated. AlTwoOThreeIs the same as above
It was formed by a method.

【0097】上記積層膜を成膜した後、フォトリソグラ
フィ技術により最上部のTa保護層上に100μm幅の
下部配線形状を規定する第1のレジストパターンを形成
し、イオンミリング技術を用いて加工した。次に、第1
のレジストパターンを除去した後、フォトリソグラフィ
技術により最上部のTa保護層上に接合寸法を規定する
第2のレジストパターンを形成し、イオンミリング技術
を用いて第1のAl23より上部のCoFe/Ni81
19/Fe54Mn46/Ni81Fe19/CoFe/Al2
3/Co4Fe6/Ru/Ni81Fe19/Taを加工し
た。次いで、上記と同様にして、Al23層間絶縁膜の
形成、Al電極配線の形成、ピン層への一方向異方性の
導入を行った。
After forming the above-mentioned laminated film, a first resist pattern defining a lower wiring shape having a width of 100 μm was formed on the uppermost Ta protective layer by photolithography and processed by ion milling. . Next, the first
After removing the resist pattern, a second resist pattern defining the junction size is formed on the uppermost Ta protective layer by photolithography, and the upper part of the first Al 2 O 3 is formed by ion milling. CoFe / Ni 81 F
e 19 / Fe 54 Mn 46 / Ni 81 Fe 19 / CoFe / Al 2
O 3 / Co 4 Fe 6 / Ru / Ni 81 Fe 19 / Ta was processed. Next, in the same manner as described above, formation of an Al 2 O 3 interlayer insulating film, formation of an Al electrode wiring, and introduction of unidirectional anisotropy into a pin layer were performed.

【0098】また、比較のために、以下のような試料C
2および試料D2を作製した。試料C2は強磁性一重ト
ンネル接合素子であり、Ta 3nm/Ni81Fe19
nm/CoFe 1nm/Al23 1.2nm/Co
Fe 1nm/Ir 22Mn78 17nm/CoFe 1
nm/Ta 5nmという積層構造を有する。
For comparison, the following sample C was used.
2 and sample D2 were produced. Sample C2 is a single ferromagnetic
It is a tunnel junction element, and Ta 3 nm / Ni81Fe195
nm / CoFe 1 nm / AlTwoOThree 1.2 nm / Co
Fe 1nm / Ir twenty twoMn78 17 nm / CoFe 1
nm / Ta 5 nm.

【0099】試料D2は反強磁性層を含まない強磁性二
重トンネル接合であり、Ta 3nm/Ni81Fe19
5nm/CoFe 1nm/Al23 1.2nm/C
oFe 1nm/Al23 1.6nm/CoFe 1
nm/Ni81Fe19 5nm/Ta 5nmという積層
構造を有する。
Sample D2 is a ferromagnetic double tunnel junction containing no antiferromagnetic layer, and has a thickness of Ta 3 nm / Ni 81 Fe 19
5 nm / CoFe 1 nm / Al 2 O 3 1.2 nm / C
oFe 1 nm / Al 2 O 3 1.6 nm / CoFe 1
It has a laminated structure of nm / Ni 81 Fe 19 5 nm / Ta 5 nm.

【0100】図20に試料A2およびB2の磁気抵抗効
果曲線を示す。試料A2ではフリー層(磁気記録層)に
おけるNi8Fe2とCoFeとの膜厚比を変えることで
反転磁場を制御できることがわかる。すなわち、Ni8
Fe2の膜厚が3nm、5nm、8nmのとき、それぞ
れ15Oe、26Oe、38Oeという小さな磁場で抵
抗が大きく変化し、26%以上の大きなMR変化率が得
られている。試料B2は39Oeという小さな磁場でM
R変化率26%が得られている。
FIG. 20 shows the magnetoresistance effect curves of Samples A2 and B2. It can be seen that in sample A2, the reversal magnetic field can be controlled by changing the film thickness ratio between Ni 8 Fe 2 and CoFe in the free layer (magnetic recording layer). That is, Ni 8
When the film thickness of Fe 2 is 3 nm, 5 nm, and 8 nm, the resistance changes greatly with a small magnetic field of 15 Oe, 26 Oe, and 38 Oe, respectively, and a large MR change rate of 26% or more is obtained. The sample B2 has a small magnetic field of 39 Oe,
An R change rate of 26% is obtained.

【0101】図21に試料A2、B2およびC2につい
てMR変化率の印加電圧依存性を示す。なお、この図で
はMR変化率を電圧0Vのときの値で規格化して示して
いる。この図から、試料A2およびB2は、試料C2に
比較して磁気抵抗変化率の値が半分になる電圧V1/2
大きく、電圧増大に伴うMR変化率の減少が小さいこと
がわかる。
FIG. 21 shows the applied voltage dependency of the MR ratio for samples A2, B2 and C2. Note that in this figure, the MR change rate is normalized by a value at a voltage of 0 V. From this figure, it can be seen that, in Samples A2 and B2, the voltage V 1/2 at which the value of the magnetoresistance change rate is halved is larger than that in Sample C2, and the decrease in MR change rate with increasing voltage is small.

【0102】次に、試料A2、B2およびD2をソレノ
イドコイル中に置き、パルス磁界70Oe中で磁化固着
層の磁気記録状態の疲労試験を行った。図22に試料A
2、B2およびD2について、パルス磁場の反転回数と
出力電圧との関係を示す。この図では、出力電圧を初期
の出力電圧値で規格化している。この図から明らかなよ
うに、試料D2ではパルス磁場の反転回数の増加に伴っ
て出力電圧が著しく低下している。これに対して、試料
A2およびB2は磁化固着層の磁気記録状態の疲労は見
られない。また、試料A2とB2との比較では、フリー
層に反強磁性結合したCo4Fe6/Ru/Ni81Fe19
の三層構造を用いた試料B2の方が疲労が少ない。
Next, the samples A2, B2 and D2 were placed in a solenoid coil, and a fatigue test of the magnetically fixed state of the magnetization fixed layer was performed in a pulse magnetic field of 70 Oe. FIG. 22 shows sample A.
2 shows the relationship between the number of reversals of the pulse magnetic field and the output voltage for B2 and D2. In this figure, the output voltage is normalized by the initial output voltage value. As is clear from this figure, in the sample D2, the output voltage is remarkably reduced as the number of reversals of the pulse magnetic field is increased. On the other hand, in the samples A2 and B2, the fatigue of the magnetic recording state of the magnetization fixed layer is not observed. In comparison between Samples A2 and B2, it was found that Co 4 Fe 6 / Ru / Ni 81 Fe 19 antiferromagnetically coupled to the free layer.
The sample B2 using the three-layer structure has less fatigue.

【0103】以上のように図2の構造を有する強磁性二
重トンネル接合素子は、磁気記録素子、磁気ヘッドに適
用した場合に好適な特性を示すことがわかる。
As described above, it can be seen that the ferromagnetic double tunnel junction device having the structure shown in FIG. 2 exhibits suitable characteristics when applied to a magnetic recording device and a magnetic head.

【0104】なお、誘電体層としてSiO2,AlN,
MgO,LaAlO3またはCaF2を用いた場合にも上
記と同様の傾向が見られた。
Note that SiO 2 , AlN,
When MgO, LaAlO 3 or CaF 2 was used, the same tendency as above was observed.

【0105】実施例3 Si/SiO2基板またはSi/Al23基板上に図3
に示すような構造を有する2種の強磁性二重トンネル接
合素子(試料A3および試料B3)を作製した例を説明
する。
Example 3 FIG. 3 was formed on a Si / SiO 2 substrate or a Si / Al 2 O 3 substrate.
An example in which two types of ferromagnetic double tunnel junction devices (sample A3 and sample B3) having the structures shown in FIGS.

【0106】試料A3は、Ta下地層、Ir−Mnから
なる第1の反強磁性層、Co−Feからなる第1の強磁
性層、Al23からなる第1の誘電体層、Co−Fe−
Niからなる第2の強磁性層、Fe−Mnからなる第2
の反強磁性層、Co−Fe−Niからなる第3の強磁性
層、Al23からなる第2の誘電体層、Co−Feから
なる第4の強磁性層、Ir−Mnからなる第3の反強磁
性層、Ta保護層を順次積層した構造を有する。
Sample A3 includes a Ta underlayer, a first antiferromagnetic layer made of Ir—Mn, a first ferromagnetic layer made of Co—Fe, a first dielectric layer made of Al 2 O 3 , -Fe-
A second ferromagnetic layer made of Ni, a second ferromagnetic layer made of Fe-Mn
Composed of the antiferromagnetic layer, a third ferromagnetic layer of Co-Fe-Ni, a second dielectric layer of Al 2 O 3, fourth ferromagnetic layer of Co-Fe, the Ir-Mn It has a structure in which a third antiferromagnetic layer and a Ta protective layer are sequentially laminated.

【0107】試料B3は、Ta下地層、Ir−Mnから
なる第1の反強磁性層、Co−Fe/Ru/Co−Fe
の三層膜からなる第1の強磁性層、Al23からなる第
1の誘電体層、CoFe/Ni−Feの二層膜からなる
第2の強磁性層、Fe−Mnからなる第2の反強磁性
層、Ni−Fe/CoFeの二層膜からなる第3の強磁
性層、Al23からなる第2の誘電体層、Co−Fe/
Ru/Co−Feの三層膜からなる第4の強磁性層、I
r−Mnからなる第3の反強磁性層、Ta保護層を順次
積層した構造を有する。
Sample B3 was a Ta underlayer, a first antiferromagnetic layer made of Ir—Mn, Co—Fe / Ru / Co—Fe
A first ferromagnetic layer consisting of a three-layer film, a first dielectric layer consisting of Al 2 O 3 , a second ferromagnetic layer consisting of a two-layer film of CoFe / Ni—Fe, and a second ferromagnetic layer consisting of Fe—Mn. 2 antiferromagnetic layer, a third ferromagnetic layer composed of a two-layer film of Ni—Fe / CoFe, a second dielectric layer composed of Al 2 O 3,
A fourth ferromagnetic layer composed of a Ru / Co—Fe three-layer film;
It has a structure in which a third antiferromagnetic layer made of r-Mn and a Ta protective layer are sequentially laminated.

【0108】試料A3は以下のようにして作製した。基
板をスパッタ装置に入れ、初期真空度を1×10-7To
rrに設定した後、Arを導入して所定の圧力に設定し
た。基板上に、Ta 5nm/Ir22Mn78 18nm
/CoFe 2nm/Al23 1.7nm/Co5
1Ni4 2nm/Fe1Mn1 17nm/Co5Fe1
Ni4 2nm/Al23 2nm/CoFe 2nm
/Ir22Mn78 18nm/Ta 5nmを順次積層し
た。なお、Al23は、純Arガス中でAlターゲット
を用いてAlを成膜した後、真空を破ることなく酸素を
導入しプラズマ酸素に曝すことによって形成した。
The sample A3 was manufactured as follows. The substrate is placed in a sputtering apparatus, and the initial degree of vacuum is 1 × 10 −7 To.
After setting to rr, Ar was introduced and set to a predetermined pressure. On the substrate, Ta 5 nm / Ir 22 Mn 78 18 nm
/ CoFe 2 nm / Al 2 O 3 1.7 nm / Co 5 F
e 1 Ni 4 2 nm / Fe 1 Mn 1 17 nm / Co 5 Fe 1
Ni 4 2 nm / Al 2 O 3 2 nm / CoFe 2 nm
/ Ir 22 Mn 78 18 nm / Ta 5 nm. Note that Al 2 O 3 was formed by depositing Al in a pure Ar gas using an Al target, introducing oxygen without breaking vacuum, and exposing the film to plasma oxygen.

【0109】上記積層膜を成膜した後、フォトリソグラ
フィ技術により最上部のTa保護層上に100μm幅の
下部配線形状を規定する第1のレジストパターンを形成
し、イオンミリング技術を用いて加工した。
After forming the above-mentioned laminated film, a first resist pattern for defining a lower wiring shape having a width of 100 μm was formed on the uppermost Ta protective layer by photolithography, and processed by ion milling. .

【0110】次に、第1のレジストパターンを除去した
後、フォトリソグラフィ技術により最上部のTa保護層
上に接合寸法を規定する第2のレジストパターンを形成
し、イオンミリング技術を用いて第1のAl23より上
部のCo5Fe1Ni4/Fe1Mn1/Co5Fe1Ni4
Al23/CoFe/Ir22Mn78/Taを加工した。
第2のレジストパターンを残したまま、電子ビーム蒸着
により厚さ350nmのAl23を堆積した後、第2の
レジストパターンおよびその上のAl23をリフトオフ
し、接合部以外の部分に層間絶縁膜を形成した。
Next, after removing the first resist pattern, a second resist pattern for defining a junction size is formed on the uppermost Ta protective layer by a photolithography technique, and the first resist pattern is formed by an ion milling technique. Co 5 than the Al 2 O 3 of the upper Fe 1 Ni 4 / Fe 1 Mn 1 / Co 5 Fe 1 Ni 4 /
Al 2 O 3 / CoFe / Ir 22 Mn 78 / Ta was processed.
After depositing Al 2 O 3 with a thickness of 350 nm by electron beam evaporation while leaving the second resist pattern, the second resist pattern and the Al 2 O 3 thereon are lifted off to form a portion other than the joint. An interlayer insulating film was formed.

【0111】次いで、電極配線の形成領域以外の領域を
覆う第3のレジストパターンを形成した後、表面を逆ス
パッタしてクリーニングした。全面にAlを堆積した
後、第3のレジストパターンおよびその上のAlをリフ
トオフして、Al電極配線を形成した。その後、磁場中
熱処理炉に導入し、ピン層に一方向異方性を導入した。
Next, after forming a third resist pattern covering a region other than the region where the electrode wiring was formed, the surface was cleaned by reverse sputtering. After depositing Al on the entire surface, the third resist pattern and the Al thereon were lifted off to form an Al electrode wiring. Thereafter, the pin layer was introduced into a heat treatment furnace in a magnetic field to introduce unidirectional anisotropy.

【0112】試料B3は以下のようにして作製した。基
板をスパッタ装置に入れ、初期真空度を1×10-7To
rrに設定した後、Arを導入して所定の圧力に設定し
た。基板上に、Ta 3nm/Ir−Mn 14nm/
Co−Fe 1.5nm/Ru 0.7nm/Co−F
e 1.5nm/Al23 1.7nm/CoFe1n
m/Ni81Fe19 2nm/Fe45Mn55 19nm/
Ni81Fe19 2nm/CoFe 1nm/Al23
2.1nm/Co9Fe 2nm/Ru 0.8nm/
Co9Fe 2nm/Ir−Mn 14nm/Ta 5
nmを順次積層した。Al23は上記と同様な方法によ
り形成した。
The sample B3 was prepared as follows. The substrate is placed in a sputtering apparatus, and the initial degree of vacuum is 1 × 10 −7 To.
After setting to rr, Ar was introduced and set to a predetermined pressure. On the substrate, Ta 3 nm / Ir-Mn 14 nm /
Co-Fe 1.5 nm / Ru 0.7 nm / Co-F
e 1.5 nm / Al 2 O 3 1.7 nm / CoFe1n
m / Ni 81 Fe 19 2 nm / Fe 45 Mn 55 19 nm /
Ni 81 Fe 19 2 nm / CoFe 1 nm / Al 2 O 3
2.1 nm / Co 9 Fe 2 nm / Ru 0.8 nm /
Co 9 Fe 2 nm / Ir-Mn 14 nm / Ta 5
nm were sequentially laminated. Al 2 O 3 was formed by the same method as described above.

【0113】上記積層膜を成膜した後、フォトリソグラ
フィ技術により最上部のTa保護層上に100μm幅の
下部配線形状を規定する第1のレジストパターンを形成
し、イオンミリング技術を用いて加工した。次に、第1
のレジストパターンを除去した後、フォトリソグラフィ
技術により最上部のTa保護層上に接合寸法を規定する
第2のレジストパターンを形成し、イオンミリング技術
を用いて第1のAl23より上部のCoFe/Ni81
19/Fe45Mn55/Ni81Fe19/CoFe/Al2
3/Co9Fe/Ru/Co9Fe/Ir−Mn/Ta
を加工した。次いで、上記と同様にして、Al23層間
絶縁膜の形成、Al電極配線の形成、ピン層への一方向
異方性の導入を行った。
After forming the above-mentioned laminated film, a first resist pattern defining a lower wiring shape having a width of 100 μm was formed on the uppermost Ta protective layer by photolithography and processed by ion milling. . Next, the first
After removing the resist pattern, a second resist pattern defining the junction size is formed on the uppermost Ta protective layer by photolithography, and the upper part of the first Al 2 O 3 is formed by ion milling. CoFe / Ni 81 F
e 19 / Fe 45 Mn 55 / Ni 81 Fe 19 / CoFe / Al 2
O 3 / Co 9 Fe / Ru / Co 9 Fe / Ir-Mn / Ta
Was processed. Next, in the same manner as described above, formation of an Al 2 O 3 interlayer insulating film, formation of an Al electrode wiring, and introduction of unidirectional anisotropy into a pin layer were performed.

【0114】また、比較のために、以下のような試料C
3および試料D3を作製した。試料C3は強磁性一重ト
ンネル接合素子であり、Ta 3nm/Ir−Mn14
nm/Co−Fe 1.5nm/Ru 0.7nm/C
o−Fe 1.5nm/Al23 1.7nm/CoF
e 1nm/Ni81Fe19 2nm/Fe45Mn55
9nm/Ta 5nmという積層構造を有する。
For comparison, the following sample C was used.
Sample No. 3 and Sample D3 were made. Sample C3 is a ferromagnetic single tunnel junction device, and Ta 3 nm / Ir-Mn14
nm / Co-Fe 1.5 nm / Ru 0.7 nm / C
o-Fe 1.5 nm / Al 2 O 3 1.7 nm / CoF
e 1 nm / Ni 81 Fe 19 2 nm / Fe 45 Mn 55 1
It has a laminated structure of 9 nm / Ta 5 nm.

【0115】試料D3は反強磁性層を含まない強磁性二
重トンネル接合であり、Ta 5nm/Co8Pt2
5nm/CoFe 2nm/Al23 1.7nm/C
5Fe1Ni4 2nm/Al23 2nm/CoFe
2nm/Co8Pt2 15nm/Ta 5nmという
積層構造を有する。
[0115] Sample D3 is a ferromagnetic double tunnel junction without the antiferromagnetic layer, Ta 5nm / Co 8 Pt 2 1
5 nm / CoFe 2 nm / Al 2 O 3 1.7 nm / C
o 5 Fe 1 Ni 4 2 nm / Al 2 O 3 2 nm / CoFe
It has a laminated structure of 2 nm / Co 8 Pt 2 15 nm / Ta 5 nm.

【0116】図23に試料A3およびB3の磁気抵抗効
果曲線を示す。試料A3は57Oeという小さな磁場で
MR変化率26%が得られている。試料B3は63Oe
という小さな磁場でMR変化率27%が得られている。
FIG. 23 shows the magnetoresistance effect curves of Samples A3 and B3. The sample A3 has an MR ratio of 26% with a small magnetic field of 57 Oe. Sample B3 is 63 Oe
With a small magnetic field, an MR change rate of 27% is obtained.

【0117】図24に試料A3、B3およびC3につい
てMR変化率の印加電圧依存性を示す。なお、この図で
はMR変化率を電圧0Vのときの値で規格化して示して
いる。この図から、試料A3およびB3は、試料C3に
比較して磁気抵抗変化率の値が半分になる電圧V1/2
大きく、電圧増大に伴うMR変化率の減少が小さいこと
がわかる。
FIG. 24 shows the dependency of the MR ratio on the applied voltage for samples A3, B3 and C3. Note that in this figure, the MR change rate is normalized by a value at a voltage of 0 V. From this figure, it can be seen that, in Samples A3 and B3, the voltage V 1/2 at which the value of the magnetoresistance change rate is halved is larger than that of Sample C3, and the decrease in MR change rate with increasing voltage is small.

【0118】次に、試料A3、B3およびD3をソレノ
イドコイル中に置き、パルス磁界75Oe中で磁化固着
層の磁気記録状態の疲労試験を行った。図25に試料A
3、B3およびD3について、パルス磁場の反転回数と
出力電圧との関係を示す。この図では、出力電圧を初期
の出力電圧値で規格化している。この図から明らかなよ
うに、試料D3ではパルス磁場の反転回数の増加に伴っ
て出力電圧が著しく低下している。これに対して、試料
A3およびB3は磁化固着層の磁気記録状態の疲労は見
られない。また、試料A3とB3との比較では、フリー
層に反強磁性結合したCo9Fe/Ru/Co9Feの三
層構造を用いた試料B3の方が疲労が少ない。
Next, the samples A3, B3 and D3 were placed in a solenoid coil, and a fatigue test of the magnetic recording state of the magnetization fixed layer was performed in a pulse magnetic field of 75 Oe. FIG. 25 shows sample A.
3, the relationship between the number of reversals of the pulse magnetic field and the output voltage is shown for B3 and D3. In this figure, the output voltage is normalized by the initial output voltage value. As is clear from this figure, in the sample D3, the output voltage is remarkably reduced as the number of reversals of the pulse magnetic field is increased. On the other hand, in the samples A3 and B3, no fatigue of the magnetic recording state of the magnetization fixed layer is observed. In comparison between Samples A3 and B3, Sample B3 using a three-layer structure of Co 9 Fe / Ru / Co 9 Fe antiferromagnetically coupled to the free layer has less fatigue.

【0119】以上のように図3の構造を有する強磁性二
重トンネル接合素子は、磁気記録素子、磁気ヘッドに適
用した場合に好適な特性を示すことがわかる。
As described above, it can be seen that the ferromagnetic double tunnel junction device having the structure shown in FIG. 3 exhibits suitable characteristics when applied to a magnetic recording device and a magnetic head.

【0120】なお、誘電体層としてSiO2,AlN,
MgO,LaAlO3またはCaF2を用いた場合にも上
記と同様の傾向が見られた。
Note that SiO 2 , AlN,
When MgO, LaAlO 3 or CaF 2 was used, the same tendency as above was observed.

【0121】実施例4 Si/SiO2基板またはSi/AlN基板上に図4ま
たは図5に示すような構造を有する2種の強磁性二重ト
ンネル接合素子(試料A4および試料B4)を作製した
例を説明する。
Example 4 Two types of ferromagnetic double tunnel junction devices (sample A4 and sample B4) having a structure as shown in FIG. 4 or FIG. 5 were fabricated on a Si / SiO 2 substrate or a Si / AlN substrate. An example will be described.

【0122】試料A4は、Ta下地層、Ni−Fe/C
o−Feの二層膜からなる第1の強磁性層、Al23
らなる第1の誘電体層、Co−Feからなる第2の強磁
性層、Ruからなる第1の非磁性層、Co−Feからな
る第3の強磁性層、Ruからなる第2の非磁性層、Co
−Feからなる第4の強磁性層、Al23からなる第2
の誘電体層、Co−Fe/Ni−Feの二層膜からなる
第5の強磁性層、Ta保護層を順次積層した構造を有す
る。
Sample A4 was made of a Ta underlayer, Ni—Fe / C
a first ferromagnetic layer composed of a two-layer film of o-Fe, a first dielectric layer composed of Al 2 O 3 , a second ferromagnetic layer composed of Co—Fe, and a first nonmagnetic layer composed of Ru , A third ferromagnetic layer made of Co—Fe, a second nonmagnetic layer made of Ru, Co
The fourth ferromagnetic layer of -fe, second of Al 2 O 3
, A fifth ferromagnetic layer consisting of a two-layered film of Co—Fe / Ni—Fe, and a Ta protective layer.

【0123】試料B4は、Ta下地層、Ni−Fe/C
o−Feの二層膜からなる第1の強磁性層、Al23
らなる第1の誘電体層、Co−Feからなる第2の強磁
性層、Ruからなる第1の非磁性層、Co−Fe強磁性
層/Ir−Mn反強磁性層/Co−Fe強磁性層、Ru
からなる第2の非磁性層、Co−Feからなる第4の強
磁性層、Al23からなる第2の誘電体層、Co−Fe
/Ni−Feの二層膜からなる第5の強磁性層、Ta保
護層を順次積層した構造を有する。
The sample B4 was made of a Ta underlayer, Ni—Fe / C
a first ferromagnetic layer composed of a two-layer film of o-Fe, a first dielectric layer composed of Al 2 O 3 , a second ferromagnetic layer composed of Co—Fe, and a first nonmagnetic layer composed of Ru , Co—Fe ferromagnetic layer / Ir—Mn antiferromagnetic layer / Co—Fe ferromagnetic layer, Ru
A second nonmagnetic layer made of, a fourth ferromagnetic layer made of Co—Fe, a second dielectric layer made of Al 2 O 3 , Co—Fe
/ Ni—Fe has a structure in which a fifth ferromagnetic layer composed of a two-layer film and a Ta protective layer are sequentially laminated.

【0124】試料A4は以下のようにして作製した。基
板をスパッタ装置に入れ、初期真空度を1×10-7To
rrに設定した後、Arを導入して所定の圧力に設定し
た。基板上に、Ta 5nm/Ni81Fe19 16nm
/Co4Fe6 3nm/Al 23 1.7nm/CoF
e 2nm/Ru 0.7nm/CoFe 2nm/R
u 0.7nm/CoFe 2nm/Al23 2nm
/Co4Fe6 3nm/Ni81Fe19 16nm/Ta
5nmを順次積層した。なお、Al23は、純Arガ
ス中でAlターゲットを用いてAlを成膜した後、真空
を破ることなく酸素を導入しプラズマ酸素に曝すことに
よって形成した。
Sample A4 was prepared as follows. Base
The plate was placed in a sputtering apparatus, and the initial vacuum was 1 × 10-7To
After setting to rr, Ar was introduced and set to a predetermined pressure.
Was. On the substrate, Ta 5 nm / Ni81Fe19 16nm
/ CoFourFe6 3 nm / Al TwoOThree 1.7 nm / CoF
e 2 nm / Ru 0.7 nm / CoFe 2 nm / R
u 0.7 nm / CoFe 2 nm / AlTwoOThree 2 nm
/ CoFourFe6 3nm / Ni81Fe19 16 nm / Ta
 5 nm was sequentially laminated. In addition, AlTwoOThreeIs pure Arga
After forming an Al film using an Al target in the
To introduce oxygen and expose it to plasma oxygen without breaking
Therefore, it was formed.

【0125】上記積層膜を成膜した後、フォトリソグラ
フィ技術により最上部のTa保護層上に100μm幅の
下部配線形状を規定する第1のレジストパターンを形成
し、イオンミリング技術を用いて加工した。
After forming the above-mentioned laminated film, a first resist pattern defining a lower wiring shape having a width of 100 μm was formed on the uppermost Ta protective layer by photolithography, and processed by ion milling. .

【0126】次に、第1のレジストパターンを除去した
後、フォトリソグラフィ技術により最上部のTa保護層
上に接合寸法を規定する第2のレジストパターンを形成
し、イオンミリング技術を用いて第1のAl23より上
部のCoFe/Ru/CoFe/Ru/CoFe/Al
23/Co4Fe6/Ni81Fe19/Taを加工した。第
2のレジストパターンを残したまま、電子ビーム蒸着に
より厚さ300nmのAl23を堆積した後、第2のレ
ジストパターンおよびその上のAl23をリフトオフ
し、接合部以外の部分に層間絶縁膜を形成した。
Next, after removing the first resist pattern, a second resist pattern for defining a junction size is formed on the uppermost Ta protective layer by a photolithography technique, and the first resist pattern is formed by an ion milling technique. CoFe / Ru / CoFe / Ru / CoFe / Al above Al 2 O 3
2 O 3 / Co 4 Fe 6 / Ni 81 Fe 19 / Ta was processed. After depositing Al 2 O 3 with a thickness of 300 nm by electron beam evaporation while leaving the second resist pattern, the second resist pattern and the Al 2 O 3 thereon are lifted off to remove portions other than the joint. An interlayer insulating film was formed.

【0127】次いで、電極配線の形成領域以外の領域を
覆う第3のレジストパターンを形成した後、表面を逆ス
パッタしてクリーニングした。全面にAlを堆積した
後、第3のレジストパターンおよびその上のAlをリフ
トオフして、Al電極配線を形成した。その後、磁場中
熱処理炉に導入し、ピン層に一方向異方性を導入した。
Next, after forming a third resist pattern covering a region other than the region for forming the electrode wiring, the surface was cleaned by reverse sputtering. After depositing Al on the entire surface, the third resist pattern and the Al thereon were lifted off to form an Al electrode wiring. Thereafter, the pin layer was introduced into a heat treatment furnace in a magnetic field to introduce unidirectional anisotropy.

【0128】試料B4は以下のようにして作製した。基
板をスパッタ装置に入れ、初期真空度を1×10-7To
rrに設定した後、Arを導入して所定の圧力に設定し
た。基板上に、Ta 5nm/Ni81Fe19 15nm
/Co9Fe 2nm/Al23 1.5nm/CoF
e 1.5nm/Ru 0.7nm/CoFe 1.5
nm/Ir−Mn 14nm/CoFe 1.5nm/
Ru 0.7nm/CoFe 1.5nm/Al23
2nm/Co9Fe 2nm/Ni81Fe1915nm/
Ta 5nmを順次積層した。Al23は上記と同様な
方法により形成した。
Sample B4 was prepared as follows. The substrate is placed in a sputtering apparatus, and the initial degree of vacuum is 1 × 10 −7 To.
After setting to rr, Ar was introduced and set to a predetermined pressure. On the substrate, Ta 5 nm / Ni 81 Fe 19 15 nm
/ Co 9 Fe 2 nm / Al 2 O 3 1.5 nm / CoF
e 1.5 nm / Ru 0.7 nm / CoFe 1.5
nm / Ir-Mn 14 nm / CoFe 1.5 nm /
Ru 0.7 nm / CoFe 1.5 nm / Al 2 O 3
2 nm / Co 9 Fe 2 nm / Ni 81 Fe 19 15 nm /
5 nm of Ta was sequentially laminated. Al 2 O 3 was formed by the same method as described above.

【0129】上記積層膜を成膜した後、フォトリソグラ
フィ技術により最上部のTa保護層上に100μm幅の
下部配線形状を規定する第1のレジストパターンを形成
し、イオンミリング技術を用いて加工した。次に、第1
のレジストパターンを除去した後、フォトリソグラフィ
技術により最上部のTa保護層上に接合寸法を規定する
第2のレジストパターンを形成し、イオンミリング技術
を用いて第1のAl23より上部のCoFe/Ru/C
oFe/Ir−Mn/CoFe/Ru/CoFe/Al
23/Co9Fe/Ni81Fe19/Taを加工した。次
いで、上記と同様にして、Al23層間絶縁膜の形成、
Al電極配線の形成、ピン層への一方向異方性の導入を
行った。
After forming the above-mentioned laminated film, a first resist pattern defining a lower wiring shape having a width of 100 μm was formed on the uppermost Ta protective layer by photolithography, and processed by ion milling. . Next, the first
After removing the resist pattern, a second resist pattern defining the junction size is formed on the uppermost Ta protective layer by photolithography, and the upper part of the first Al 2 O 3 is formed by ion milling. CoFe / Ru / C
oFe / Ir-Mn / CoFe / Ru / CoFe / Al
2 O 3 / Co 9 Fe / Ni 81 Fe 19 / Ta was processed. Next, in the same manner as above, formation of an Al 2 O 3 interlayer insulating film,
Formation of Al electrode wiring and introduction of unidirectional anisotropy into the pin layer were performed.

【0130】また、比較のために、以下のような試料C
4および試料D4を作製した。試料C4は強磁性一重ト
ンネル接合素子であり、Ta 5nm/Ni81Fe19
6nm/Co4Fe6 3nm/Al23 1.7nm/
CoFe 2nm/Ru 0.7nm/CoFe 2n
m/Ru 0.7nm/CoFe 2nm/Ta 5n
mという積層構造を有する。
For comparison, the following sample C was used.
4 and sample D4 were produced. Sample C4 is a ferromagnetic single tunnel junction device, and Ta 5 nm / Ni 81 Fe 19 1
6 nm / Co 4 Fe 6 3 nm / Al 2 O 3 1.7 nm /
CoFe 2 nm / Ru 0.7 nm / CoFe 2n
m / Ru 0.7 nm / CoFe 2 nm / Ta 5n
m.

【0131】試料D4は反強磁性結合のない強磁性二重
トンネル接合であり、Ta 5nm/Ni81Fe19
6nm/Co4Fe6 3nm/Al23 1.7nm/
CoFe 6nm/Al23 2nm/Co4Fe6
nm/Ni81Fe19 16nm/Ta 5nmという積
層構造を有する。
Sample D4 was a ferromagnetic double tunnel junction without antiferromagnetic coupling, and was made of Ta 5 nm / Ni 81 Fe 19 1
6 nm / Co 4 Fe 6 3 nm / Al 2 O 3 1.7 nm /
CoFe 6nm / Al 2 O 3 2nm / Co 4 Fe 6 3
It has a laminated structure of nm / Ni 81 Fe 19 16 nm / Ta 5 nm.

【0132】図26に試料A4およびB4の磁気抵抗効
果曲線を示す。試料A4は33Oeという小さな磁場で
MR変化率28%が得られている。試料B4は18Oe
という小さな磁場でMR変化率26%が得られている。
FIG. 26 shows the magnetoresistance effect curves of Samples A4 and B4. The sample A4 has an MR ratio of 28% with a small magnetic field of 33 Oe. Sample B4 is 18 Oe
An MR change rate of 26% is obtained with such a small magnetic field.

【0133】図27に試料A4、B4およびC4につい
てMR変化率の印加電圧依存性を示す。なお、この図で
はMR変化率を電圧0Vのときの値で規格化して示して
いる。この図から、試料A4およびB4は、試料C4に
比較して磁気抵抗変化率の値が半分になる電圧V1/2
大きく、電圧増大に伴うMR変化率の減少が小さいこと
がわかる。
FIG. 27 shows the dependency of the MR ratio on the applied voltage for samples A4, B4 and C4. Note that in this figure, the MR change rate is normalized by a value at a voltage of 0 V. From this figure, it can be seen that, in Samples A4 and B4, the voltage V 1/2 at which the value of the magnetoresistance change is halved is larger than that in Sample C4, and the decrease in MR change with increasing voltage is small.

【0134】次に、試料A4、B4およびD4をソレノ
イドコイル中に置き、パルス磁界40Oe中で磁化固着
層の磁気記録状態の疲労試験を行った。図28に試料A
4、B4およびD4について、パルス磁場の反転回数と
出力電圧との関係を示す。この図では、出力電圧を初期
の出力電圧値で規格化している。この図から明らかなよ
うに、試料D4ではパルス磁場の反転回数の増加に伴っ
て出力電圧が著しく低下している。これに対して、試料
A4およびB4は磁化固着層の磁気記録状態の疲労は見
られない。また、試料A4とB4との比較では、磁化固
着層に反強磁性層を挿入したCoFe/Ir/CoFe
/Ir−Mn/CoFe/Ir/CoFeの7層構造を
用いた試料B4の方が疲労が少ない。
Next, the samples A4, B4 and D4 were placed in a solenoid coil, and a fatigue test of the magnetically fixed state of the magnetization fixed layer was performed in a pulse magnetic field of 40 Oe. FIG. 28 shows sample A.
4, the relationship between the number of reversals of the pulse magnetic field and the output voltage is shown for B4 and D4. In this figure, the output voltage is normalized by the initial output voltage value. As is clear from this figure, in the sample D4, the output voltage is remarkably reduced as the number of reversals of the pulse magnetic field is increased. On the other hand, in the samples A4 and B4, no fatigue of the magnetic recording state of the magnetization fixed layer is observed. In comparison between Samples A4 and B4, CoFe / Ir / CoFe in which an antiferromagnetic layer was inserted into the magnetization fixed layer was used.
Sample B4 using a seven-layer structure of / Ir-Mn / CoFe / Ir / CoFe has less fatigue.

【0135】以上のように図4の構造を有する強磁性二
重トンネル接合素子は、磁気記録素子、磁気ヘッドに適
用した場合に好適な特性を示すことがわかる。
As described above, it is understood that the ferromagnetic double tunnel junction device having the structure shown in FIG. 4 exhibits suitable characteristics when applied to a magnetic recording element and a magnetic head.

【0136】なお、誘電体層としてSiO2,AlN,
MgO,LaAlO3またはCaF2を用いた場合にも上
記と同様の傾向が見られた。
Note that SiO 2 , AlN,
When MgO, LaAlO 3 or CaF 2 was used, the same tendency as above was observed.

【0137】実施例5 図7または図9に示したMRAMを想定して、Si/S
iO2またはSiO2基板上に図29に示すような構造を
有する強磁性二重トンネル接合素子(試料A5および試
料B5)を作製した例を説明する。
Embodiment 5 Assuming the MRAM shown in FIG. 7 or FIG.
An example in which ferromagnetic double tunnel junction devices (samples A5 and B5) having a structure as shown in FIG. 29 are formed on an iO 2 or SiO 2 substrate will be described.

【0138】試料A5は、Ta下地層、Fe−Mnから
なる第1の反強磁性層、Ni−Fe/Co−Feの二層
膜からなる第1の強磁性層、Al23からなる第1の誘
電体層、Co9Feからなる第2の強磁性層、Al23
からなる第2の誘電体層、Co−Feからなる第3の強
磁性層、ビットライン(Ni−Feからなる第3の強磁
性層、Fe−Mnからなる第2の反強磁性層、Alから
なる金属層)を順次積層した構造を有する。
The sample A5 was composed of a Ta underlayer, a first antiferromagnetic layer composed of Fe—Mn, a first ferromagnetic layer composed of a Ni—Fe / Co—Fe bilayer, and Al 2 O 3. A first dielectric layer, a second ferromagnetic layer of Co 9 Fe, Al 2 O 3
, A third ferromagnetic layer made of Co—Fe, a bit line (a third ferromagnetic layer made of Ni—Fe, a second antiferromagnetic layer made of Fe—Mn, Al (A metal layer made of).

【0139】試料B5は、Taからなる下地層、Ir−
Mnからなる第1の反強磁性層、Co−Feからなる第
1の強磁性層、Al23からなる第1の誘電体層、Co
−Fe/Ni−Fe/Co−Feの三層膜からなる第2
の強磁性層、Al23からなる第2の誘電体層、Co−
Feからなる第3の強磁性層、ビットライン(Coから
なる第3の強磁性層、Ir−Mnからなる第2の反強磁
性層、Alからなる金属層)を順次積層した構造を有す
る。
The sample B5 was composed of an underlayer made of Ta, Ir-
A first antiferromagnetic layer made of Mn, a first ferromagnetic layer made of Co—Fe, a first dielectric layer made of Al 2 O 3 ,
-Fe / Ni-Fe / Co-Fe three-layer film
Ferromagnetic layer, a second dielectric layer of Al 2 O 3, Co-
It has a structure in which a third ferromagnetic layer made of Fe and a bit line (a third ferromagnetic layer made of Co, a second antiferromagnetic layer made of Ir-Mn, and a metal layer made of Al) are sequentially stacked.

【0140】図29に示されるように、試料A5および
B5のいずれも、接合面積に比較して第2の反強磁性膜
の面積が大きい。
As shown in FIG. 29, in each of samples A5 and B5, the area of the second antiferromagnetic film is larger than the junction area.

【0141】試料A5は以下のようにして作製した。基
板をスパッタ装置に入れ、初期真空度を1×10-7To
rrに設定した後、Arを導入して所定の圧力に設定し
た。基板上に、Ta 5nm/Fe54Mn46 18nm
/Ni8Fe2 5nm/CoFe 2nm/Al23
1.7nm/Co9Fe 3nm/Al23 2nm/
CoFe 2nm/Ta 5nmを順次積層した。な
お、Al23は、純Arガス中でAlターゲットを用い
てAlを成膜した後、真空を破ることなく酸素を導入し
プラズマ酸素に曝すことによって形成した。
The sample A5 was manufactured as follows. The substrate is placed in a sputtering apparatus, and the initial degree of vacuum is 1 × 10 −7 To.
After setting to rr, Ar was introduced and set to a predetermined pressure. On the substrate, Ta 5 nm / Fe 54 Mn 46 18 nm
/ Ni 8 Fe 2 5 nm / CoFe 2 nm / Al 2 O 3
1.7 nm / Co 9 Fe 3 nm / Al 2 O 3 2 nm /
CoFe 2 nm / Ta 5 nm were sequentially laminated. Note that Al 2 O 3 was formed by depositing Al in a pure Ar gas using an Al target, introducing oxygen without breaking vacuum, and exposing the film to plasma oxygen.

【0142】上記積層膜を成膜した後、フォトリソグラ
フィ技術により最上部のTa層上に50μm幅の下部配
線形状を規定する第1のレジストパターンを形成し、イ
オンミリング技術を用いて加工した。
After forming the above-mentioned laminated film, a first resist pattern defining a lower wiring shape having a width of 50 μm was formed on the uppermost Ta layer by a photolithography technique, and processed by an ion milling technique.

【0143】次に、第1のレジストパターンを除去した
後、最上部のTa層上に電子線レジストを塗布し、EB
描画装置を用いて第1のAl23より上部の各層の微細
加工を行い、接合面積1×1μm2,0.5×0.5μ
2,0.15×0.15μm 2の強磁性トンネル接合を
作製した。電子線レジストパターンを残したまま、電子
ビーム蒸着により厚さ300nmのAl23を堆積した
後、電子線レジストパターンおよびその上のAl23
リフトオフし、接合部以外の部分に層間絶縁膜を形成し
た。
Next, the first resist pattern was removed.
Then, an electron beam resist is applied on the uppermost Ta layer, and EB
First Al using a drawing apparatusTwoOThreeFiner in each layer above
Processing and joining area 1 × 1μmTwo, 0.5 × 0.5μ
mTwo, 0.15 × 0.15μm TwoFerromagnetic tunnel junction
Produced. While leaving the electron beam resist pattern,
300nm thick Al by beam evaporationTwoOThreeDeposited
After that, an electron beam resist pattern and AlTwoOThreeTo
Lift off and form an interlayer insulating film in the area other than the joint.
Was.

【0144】次いで、電極配線の形成領域以外の領域を
覆う第3のレジストパターンを形成した後、表面を逆ス
パッタしてクリーニングし、さらにTa層を除去した。
その後、ビットラインの電極配線としてNi8Fe2
nm/Fe54Mn46 18nm/Al 5nmを順次積
層した。第3のレジストパターンおよびその上の電極配
線をリフトオフした。その後、磁場中熱処理炉に導入
し、ピン層に一方向異方性を導入した。
Next, after forming a third resist pattern covering a region other than the region for forming the electrode wiring, the surface was reverse-sputtered and cleaned, and the Ta layer was further removed.
Then, Ni 8 Fe 2 5 as the electrode wiring of the bit line
nm / Fe 54 Mn 46 18 nm / Al 5 nm. The third resist pattern and the electrode wiring thereon were lifted off. Thereafter, the pin layer was introduced into a heat treatment furnace in a magnetic field to introduce unidirectional anisotropy.

【0145】試料B5は以下のようにして作製した。基
板をスパッタ装置に入れ、初期真空度を1×10-7To
rrに設定した後、Arを導入して所定の圧力に設定し
た。基板上に、Ta 5nm/Ir22Mn78 18nm
/CoFe 3nm/Al23 1.5nm/CoFe
1nm/Ni8Fe2 3nm/CoFe 1nm/A
23 1.8nm/CoFe 3nm/Ta 5nm
を順次積層した。Al23は上記と同様な方法により形
成した。
The sample B5 was manufactured as follows. The substrate is placed in a sputtering apparatus, and the initial degree of vacuum is 1 × 10 −7 To.
After setting to rr, Ar was introduced and set to a predetermined pressure. On the substrate, Ta 5 nm / Ir 22 Mn 78 18 nm
/ CoFe 3 nm / Al 2 O 3 1.5 nm / CoFe
1 nm / Ni 8 Fe 2 3 nm / CoFe 1 nm / A
l 2 O 3 1.8 nm / CoFe 3 nm / Ta 5 nm
Were sequentially laminated. Al 2 O 3 was formed by the same method as described above.

【0146】上記積層膜を成膜した後、フォトリソグラ
フィ技術により最上部のTa層上に50μm幅の下部配
線形状を規定する第1のレジストパターンを形成し、イ
オンミリング技術を用いて加工した。
After forming the laminated film, a first resist pattern defining a lower wiring shape having a width of 50 μm was formed on the uppermost Ta layer by a photolithography technique, and processed by an ion milling technique.

【0147】次に、第1のレジストパターンを除去した
後、最上部のTa層上に電子線レジストを塗布し、EB
描画装置を用いて第1のAl23より上部の各層の微細
加工を行い、接合面積1×1μm2,0.5×0.5μ
2,0.15×0.15μm 2の強磁性トンネル接合を
作製した。電子線レジストパターンを残したまま、電子
ビーム蒸着により厚さ300nmのAl23を堆積した
後、電子線レジストパターンおよびその上のAl23
リフトオフし、接合部以外の部分に層間絶縁膜を形成し
た。
Next, the first resist pattern was removed.
Then, an electron beam resist is applied on the uppermost Ta layer, and EB
First Al using a drawing apparatusTwoOThreeFiner in each layer above
Processing and joining area 1 × 1μmTwo, 0.5 × 0.5μ
mTwo, 0.15 × 0.15μm TwoFerromagnetic tunnel junction
Produced. While leaving the electron beam resist pattern,
300nm thick Al by beam evaporationTwoOThreeDeposited
After that, an electron beam resist pattern and AlTwoOThreeTo
Lift off and form an interlayer insulating film in the area other than the joint.
Was.

【0148】次いで、電極配線の形成領域以外の領域を
覆う第3のレジストパターンを形成した後、表面を逆ス
パッタしてクリーニングし、さらにTa層を除去した。
その後、ビットラインの電極配線としてCo/Ir22
78 18nm/Al 5nmを順次積層した。第3の
レジストパターンおよびその上の電極配線をリフトオフ
した。その後、磁場中熱処理炉に導入し、ピン層に一方
向異方性を導入した。
Next, after forming a third resist pattern covering a region other than the region for forming the electrode wiring, the surface was reverse-sputtered and cleaned, and the Ta layer was further removed.
Thereafter, Co / Ir 22 M is used as the electrode wiring of the bit line.
n 78 18 nm / Al 5 nm were sequentially laminated. The third resist pattern and the electrode wiring thereon were lifted off. Thereafter, the pin layer was introduced into a heat treatment furnace in a magnetic field to introduce unidirectional anisotropy.

【0149】また、比較のために、以下のような試料C
5、試料D5および試料E5を作製した。試料C5は強
磁性一重トンネル接合素子であり、Ta 5nm/Ir
22Mn7818nm/CoFe 3nm/Al23 1.
5nm/CoFe 1nm/Ni8Fe2 3nm/Co
Fe 1nm/Ta 5nmという積層構造を有する。
For comparison, the following sample C was used.
5, Sample D5 and Sample E5 were produced. Sample C5 is a ferromagnetic single tunnel junction device, and Ta 5 nm / Ir
22 Mn 78 18 nm / CoFe 3 nm / Al 2 O 3
5 nm / CoFe 1 nm / Ni 8 Fe 2 3 nm / Co
It has a laminated structure of Fe 1 nm / Ta 5 nm.

【0150】試料D5は、試料B5と同様の積層構造、
すなわちTa 5nm/Ir22Mn 78 18nm/Co
Fe 3nm/Al23 1.5nm/CoFe 1n
m/Ni8Fe2 3nm/CoFe 1nm/Al23
1.8nm/CoFe 3nm/Ir22Mn78 18
nm/Ta 5nmという積層構造を有する。しかし、
図29の構造とは異なり、上部のIrMnからなる第2
の反強磁性層(およびTa保護層)の面積も接合面積と
同一になるように加工されたている。また、ビットライ
ンはAl層のみからなっている。
The sample D5 has the same laminated structure as the sample B5,
That is, Ta 5 nm / Irtwenty twoMn 78 18nm / Co
Fe 3nm / AlTwoOThree 1.5 nm / CoFe 1n
m / Ni8FeTwo 3 nm / CoFe 1 nm / AlTwoOThree
 1.8 nm / CoFe 3 nm / Irtwenty twoMn78 18
nm / Ta 5 nm. But,
Unlike the structure of FIG. 29, the second
The area of the antiferromagnetic layer (and the Ta protective layer) is also
Processed to be identical. In addition, bit line
Is made of only an Al layer.

【0151】試料E5は反強磁性層を含まない強磁性二
重トンネル接合であり、Ta 5nm/CoFePt
13nm/Al23 1.5nm/CoFe 1nm/
Ni 8Fe2 3nm/CoFe 1nm/Al23
1.8nm/CoFePt 13nm/Ta 5nmと
いう積層構造を有する。
The sample E5 has a ferromagnetic layer containing no antiferromagnetic layer.
Heavy tunnel junction, Ta 5 nm / CoFePt
13nm / AlTwoOThree 1.5 nm / CoFe 1 nm /
Ni 8FeTwo 3 nm / CoFe 1 nm / AlTwoOThree 
1.8 nm / CoFePt 13 nm / Ta 5 nm
Having a laminated structure.

【0152】図30に試料A5およびB5の磁気抵抗効
果曲線を示す。試料A5は29Oeという小さな磁場で
MR変化率28%が得られている。試料B5は39Oe
という小さな磁場でMR変化率27%が得られている。
FIG. 30 shows the magnetoresistance effect curves of Samples A5 and B5. Sample A5 has an MR ratio of 28% with a small magnetic field of 29 Oe. Sample B5 is 39 Oe
With a small magnetic field, an MR change rate of 27% is obtained.

【0153】図31に試料A5、B5およびC5につい
てMR変化率の印加電圧依存性を示す。なお、この図で
はMR変化率を電圧0Vのときの値で規格化して示して
いる。この図から、試料A5およびB5は、試料C5に
比較して磁気抵抗変化率の値が半分になる電圧V1/2
大きく、電圧増大に伴うMR変化率の減少が小さいこと
がわかる。
FIG. 31 shows the dependency of the MR ratio on the applied voltage for samples A5, B5 and C5. Note that in this figure, the MR change rate is normalized by a value at a voltage of 0 V. From this figure, it can be seen that, in Samples A5 and B5, compared to Sample C5, the voltage V 1/2 at which the value of the magnetoresistance ratio is halved is large, and the decrease in MR ratio with the increase in voltage is small.

【0154】次に、試料A5、B5、D5およびE5を
ソレノイドコイル中に置き、パルス磁界70Oe中で磁
化固着層の磁気記録状態の疲労試験を行った。図32に
試料A5、B5、D5およびE5について、パルス磁場
の反転回数と出力電圧との関係を示す。この図では、出
力電圧を初期の出力電圧値で規格化している。この図か
ら明らかなように、試料E5ではパルス磁場の反転回数
の増加に伴って出力電圧が著しく低下している。また、
試料D5は、接合面積が小さいほど、疲労が激しくなる
傾向を示した。これは、接合面積が小さいと加工ダメー
ジ等で上部磁化固着層が劣化したためであると考えられ
る。これに対して、試料A5およびB5は磁化固着層の
磁気記録状態の疲労は見られない。このことから、図2
9に示したように、上部の反強磁性層をビットラインの
一部として構成することが有利であることがわかる。
Next, the samples A5, B5, D5 and E5 were placed in a solenoid coil, and a fatigue test of the magnetic recording state of the magnetization fixed layer was performed in a pulse magnetic field of 70 Oe. FIG. 32 shows the relationship between the number of reversals of the pulse magnetic field and the output voltage for samples A5, B5, D5, and E5. In this figure, the output voltage is normalized by the initial output voltage value. As is clear from this figure, in the sample E5, the output voltage is remarkably reduced with an increase in the number of reversals of the pulse magnetic field. Also,
Sample D5 showed a tendency that the smaller the joint area was, the more the fatigue became. This is considered to be because if the bonding area was small, the upper magnetization pinned layer deteriorated due to processing damage or the like. On the other hand, in the samples A5 and B5, no fatigue of the magnetic recording state of the magnetization fixed layer is observed. From this, FIG.
As shown in FIG. 9, it can be seen that it is advantageous to configure the upper antiferromagnetic layer as part of the bit line.

【0155】以上のように図29の構造を有する強磁性
二重トンネル接合素子は、特に磁気記録素子に適用した
場合に好適な特性を示すことがわかる。
As described above, it can be seen that the ferromagnetic double tunnel junction device having the structure shown in FIG. 29 exhibits suitable characteristics particularly when applied to a magnetic recording device.

【0156】なお、誘電体層としてSiO2,AlN,
MgO,LaAlO3またはCaF2を用いた場合にも上
記と同様の傾向が見られた。
Note that SiO 2 , AlN,
When MgO, LaAlO 3 or CaF 2 was used, the same tendency as above was observed.

【0157】実施例6 実施例1〜4と同様な方法により、Si/SiO2基板
またはSiO2基板上に、図1〜図4に示す基本構造を
有する強磁性二重トンネル接合素子を作製した。これら
の素子の積層構造を表1に示す。なお、下地層および保
護層としては、Ta、Ti、Ti/Pt、Pt、Ti/
Pd、Ta/Pt、Ta/Pd、TiNxのいずれかを
用いている。
Example 6 A ferromagnetic double tunnel junction device having the basic structure shown in FIGS. 1 to 4 was fabricated on a Si / SiO 2 substrate or a SiO 2 substrate in the same manner as in Examples 1 to 4. . Table 1 shows the laminated structure of these elements. Note that Ta, Ti, Ti / Pt, Pt, Ti /
One of Pd, Ta / Pt, Ta / Pd, and TiNx is used.

【0158】これら試料について、MR変化率が1/2
に減少する電圧値V1/2、100000回のフリー層
(磁気記録層)反転時の出力値と初期出力値との比を表
1に示した。いずれの試料でも大きなMR変化率が得ら
れており、電圧依存のMR変化率の減少度合いも強磁性
一重トンネル接合素子に比べて小さい。また、フリー層
(磁気記録層)の磁化反転を繰り返しても、出力電圧の
低下はほとんどなく、疲労が小さい。
For these samples, the MR ratio was 1 /.
Table 1 shows the ratio between the output value when the free layer (magnetic recording layer) is inverted 100000 times and the initial output value when the voltage value V 1/2 decreases to 100 V. In each of the samples, a large MR ratio was obtained, and the degree of decrease in the voltage-dependent MR ratio was smaller than that of the ferromagnetic single tunnel junction device. Further, even if the magnetization reversal of the free layer (magnetic recording layer) is repeated, the output voltage hardly decreases and the fatigue is small.

【0159】したがって、これらの素子は磁気抵抗効果
型ヘッド、センサー、磁気記憶素子として用いた場合に
有効であることが分かる。
Therefore, it can be seen that these elements are effective when used as a magnetoresistive head, sensor, and magnetic storage element.

【0160】[0160]

【表1】 [Table 1]

【0161】なお、本発明において、各層間の原子拡散
・混合が生じることがあり得る。例えば、スパッタリン
グ時にスパッタ強度を強くすれば、NiFe合金層、C
o基合金層、またはこれらと非磁性層や反強磁性層との
間での原子の拡散が生じると考えられる。また、温度や
時間にも依存するが、熱処理でも同様の原子拡散が生じ
ると考えられる。こうした原子拡散が発生しても、各層
を構成する材料が本発明において要求される磁気特性を
示し、明示した材料の範囲内に含まれる限り、本発明の
範疇に入る。
In the present invention, atomic diffusion and mixing between the layers may occur. For example, if the sputtering strength is increased during sputtering, the NiFe alloy layer, C
It is considered that diffusion of atoms occurs between the o-based alloy layer and the non-magnetic layer or the antiferromagnetic layer. Although it depends on the temperature and the time, it is considered that the same atomic diffusion occurs even in the heat treatment. Even if such an atomic diffusion occurs, the material constituting each layer is within the scope of the present invention as long as it exhibits the magnetic properties required in the present invention and is included in the range of the specified material.

【0162】実施例7 Si/SiO2基板またはSiO2基板上に図1に示すよ
うな構造を有し、フリー層の厚さが異なる3種の強磁性
二重トンネル接合素子(試料T1,T2およびT3)を
作製した例を説明する。
Example 7 Three types of ferromagnetic double tunnel junction devices (samples T1 and T2) having a structure as shown in FIG. 1 on a Si / SiO 2 substrate or SiO 2 substrate and having different free layer thicknesses And T3) will be described.

【0163】試料T1は、Ta下地層、Fe−Mn/N
i−Feの二層膜からなる第1の反強磁性層、CoFe
からなる第1の強磁性層、Al23からなる第1の誘電
体層、Co9Feからなる第2の強磁性層、Al23
らなる第2の誘電体層、CoFeからなる第3の強磁性
層、Ni−Fe/Fe−Mnの二層膜からなる第2の反
強磁性層、Ta保護層を順次積層した構造を有し、フリ
ー層であるCo9Feからなる第2の強磁性層の膜厚が
2.5nmに設定されている。
The sample T1 was made of a Ta underlayer, Fe--Mn / N
a first antiferromagnetic layer comprising a two-layer film of i-Fe, CoFe
A first ferromagnetic layer made of Al 2 O 3 , a second ferromagnetic layer made of Co 9 Fe, a second dielectric layer made of Al 2 O 3 , made of CoFe It has a structure in which a third ferromagnetic layer, a second antiferromagnetic layer composed of a Ni—Fe / Fe—Mn two-layer film, and a Ta protective layer are sequentially laminated, and a third layer composed of Co 9 Fe, which is a free layer. The thickness of the ferromagnetic layer of No. 2 is set to 2.5 nm.

【0164】試料T1は以下のようにして作製した。基
板をスパッタ装置に入れ、初期真空度を1×10-7To
rrに設定した後、Arを導入して所定の圧力に設定し
た。基板上に、Ta 5nm/Fe54Mn46 20nm
/Ni8Fe2 5nm/CoFe 3nm/Al23
1.7nm/Co9Fe 2.5nm/Al23 2n
m/CoFe 3nm/Ni8Fe2 5nm/Fe54
46 20nm/Ta5nmを順次積層した。なお、A
23は、純Arガス中でAlターゲットを用いてAl
を成膜した後、真空を破ることなく酸素を導入しプラズ
マ酸素に曝すことによって形成した。
The sample T1 was manufactured as follows. The substrate is placed in a sputtering apparatus, and the initial degree of vacuum is 1 × 10 −7 To.
After setting to rr, Ar was introduced and set to a predetermined pressure. On the substrate, Ta 5 nm / Fe 54 Mn 46 20 nm
/ Ni 8 Fe 2 5 nm / CoFe 3 nm / Al 2 O 3
1.7 nm / Co 9 Fe 2.5 nm / Al 2 O 3 2n
m / CoFe 3 nm / Ni 8 Fe 2 5 nm / Fe 54 M
n 46 20 nm / Ta 5 nm were sequentially laminated. Note that A
l 2 O 3 is converted to Al by using an Al target in pure Ar gas.
Was formed by introducing oxygen without breaking the vacuum and exposing the film to plasma oxygen.

【0165】上記積層膜を成膜した後、フォトリソグラ
フィ技術により最上部のTa保護層上に100μm幅の
下部配線形状を規定するレジストパターンを形成し、イ
オンミリング技術を用いて加工した。
After forming the above-mentioned laminated film, a resist pattern defining a lower wiring shape having a width of 100 μm was formed on the uppermost Ta protective layer by photolithography, and processed by ion milling.

【0166】次に、レジストパターンを除去した後、フ
ォトリソグラフィ技術または電子線リソグラフィ技術お
よびRIEにより最上部のTa保護層上に接合寸法を規
定するTiハードマスクを形成し、イオンミリング技術
を用いて第1のAl23より上部のCo9Fe/Al2
3/CoFe/Ni−Fe/Fe−Mn/Taを加工し
た。この工程により接合幅を様々に変化させた。接合幅
が1μm以下の素子を形成する場合には電子線リソグラ
フィ技術を用いた。接合部上にレジストパターンを形成
し、スパッタ法またはプラズマCVD法により厚さ30
0nmのSiO 2を堆積した後、レジストパターンおよ
びその上のSiO2をリフトオフし、接合部以外の部分
に層間絶縁膜を形成した。
Next, after removing the resist pattern, the photoresist is removed.
Photolithography technology or electron beam lithography technology
And RIE to define the junction size on the top Ta protective layer.
Forming a Ti hard mask to define the ion milling technology
Using the first AlTwoOThreeCo above9Fe / AlTwoO
Three/ CoFe / Ni-Fe / Fe-Mn / Ta
Was. The bonding width was variously changed by this process. Joint width
When an element having a thickness of 1 μm or less is formed, electron beam lithography
The technology was used. Form a resist pattern on the joint
And a thickness of 30 by sputtering or plasma CVD.
0 nm SiO TwoAfter depositing the resist pattern,
And SiO on itTwoLift off the non-joint parts
Then, an interlayer insulating film was formed.

【0167】次いで、電極配線の形成領域以外の領域を
覆うレジストパターンを形成した後、表面を逆スパッタ
してクリーニングした。全面にAlを堆積した後、レジ
ストパターンおよびその上のAlをリフトオフして、A
l電極配線を形成した。その後、磁場中熱処理炉に導入
し、ピン層に一方向異方性を導入した。
Next, after forming a resist pattern covering a region other than the region where the electrode wiring was formed, the surface was cleaned by reverse sputtering. After depositing Al on the entire surface, the resist pattern and the Al thereon are lifted off, and A
1 electrode wiring was formed. Thereafter, the pin layer was introduced into a heat treatment furnace in a magnetic field to introduce unidirectional anisotropy.

【0168】試料T2はフリー層であるCo9Feから
なる第2の強磁性層の膜厚を7nmとした以外は、試料
T1と同様にして作製した。
The sample T2 was manufactured in the same manner as the sample T1 except that the thickness of the second ferromagnetic layer made of Co 9 Fe as a free layer was changed to 7 nm.

【0169】試料T3はフリー層であるCo9Feから
なる第2の強磁性層の膜厚を17nmとした以外は、試
料T1と同様にして作製した。
The sample T3 was manufactured in the same manner as the sample T1, except that the thickness of the second ferromagnetic layer made of Co 9 Fe as a free layer was changed to 17 nm.

【0170】図33に、試料T1、T2およびT3につ
いて、素子の接合幅とフリー層の反転磁場との関係を示
す。この図では横軸を接合幅Wの逆数(1/W)として
いる。図33に示されるように、いずれの試料でも接合
幅を縮小するに従って反転磁場が増大している。このこ
とは、MRAM応用においては接合幅を縮小するに従っ
て書き込み時の消費電力が増大することを意味する。し
かし、フリー層の膜厚が薄い試料T1では直線の傾きが
小さく、接合幅の縮小に伴う反転磁場の増大が抑制され
ている。一方、フリー層の膜厚が比較的厚い試料T2お
よびT3では、接合幅の縮小に伴う反転磁場の増大が顕
著であり、MRAM応用において書き込み時の消費電力
が著しく増大するおそれがある。ここで、現状の加工技
術で得られる接合幅0.25μm(1/W=4)の素子
に着目して反転磁場を比較する。試料T1では反転磁場
が100Oeより小さく、今後のさらなる微細化に対応
できる。一方、試料T2およびT3では反転磁場が10
0Oeを超えており、MRAM応用において書き込み時
の消費電力がすでに高く、さらなる微細化に対応するこ
とは困難である。
FIG. 33 shows the relationship between the junction width of the element and the reversal magnetic field of the free layer for samples T1, T2 and T3. In this figure, the horizontal axis is the reciprocal (1 / W) of the joining width W. As shown in FIG. 33, the reversal magnetic field increases as the bonding width is reduced in any of the samples. This means that in MRAM applications, the power consumption during writing increases as the junction width is reduced. However, in the sample T1 in which the thickness of the free layer is small, the inclination of the straight line is small, and the increase of the switching magnetic field accompanying the reduction of the junction width is suppressed. On the other hand, in the samples T2 and T3 in which the thickness of the free layer is relatively large, the reversal magnetic field increases remarkably as the junction width decreases, and there is a possibility that the power consumption during writing in the MRAM application will increase significantly. Here, the inversion magnetic field is compared, focusing on the element having a junction width of 0.25 μm (1 / W = 4) obtained by the current processing technology. In the sample T1, the reversal magnetic field is smaller than 100 Oe, which can cope with further miniaturization in the future. On the other hand, in the samples T2 and T3, the reversal magnetic field is 10
Since it exceeds 0 Oe, power consumption at the time of writing is already high in MRAM applications, and it is difficult to cope with further miniaturization.

【0171】図34に試料T1、T2およびT3につい
てMR変化率の印加電圧依存性を示す。なお、この図で
はMR変化率を電圧0Vのときの値で規格化して示して
いる。フリー層の膜厚が薄い試料T1ではMR変化率の
値が半分になるバイアス電圧V1/2が0.9Vを超えて
おり、バイアス依存性が抑制されている。一方、フリー
層の膜厚が比較的厚い試料T2およびT3は、強磁性一
重トンネル接合素子に比べればバイアス依存性が小さい
が、V1/2は0.8V未満であり、試料T1に比べて明
らかに劣っている。
FIG. 34 shows the dependency of the MR ratio on the applied voltage for samples T1, T2 and T3. Note that in this figure, the MR change rate is normalized by a value at a voltage of 0 V. In the sample T1 having a thin free layer, the bias voltage V 1/2 at which the value of the MR change rate is halved exceeds 0.9 V, and the bias dependency is suppressed. On the other hand, in the samples T2 and T3 having a relatively thick free layer, the bias dependency is smaller than that of the ferromagnetic single tunnel junction device, but V 1/2 is less than 0.8 V, which is smaller than that of the sample T1. Obviously inferior.

【0172】図33および図34から、フリー層の厚さ
が薄いほど、接合の微細化に伴う反転磁場の増大が抑え
られ、かつバイアス依存性も改善されることがわかる。
フリー層の厚さが5nm以下であれば、0.25μmル
ールの素子で反転磁場が100Oe以下に抑えられ、か
つMR変化率のバイアス依存性も改善される。しかし、
フリー層の厚さが1nm未満になると、フリー層が連続
膜にならず、誘電体層中に強磁性粒子が分散した、いわ
ゆるグラニュラー構造となるおそれがある。この結果、
接合特性の制御が困難になり、微粒子の大きさによって
は室温で超常磁性となりMR変化率が極端に低下すると
いう問題も生じる。したがって、フリー層の厚さは1〜
5nmであることが好ましい。
FIGS. 33 and 34 show that as the thickness of the free layer is smaller, the increase in the switching field due to the miniaturization of the junction is suppressed, and the bias dependency is also improved.
If the thickness of the free layer is 5 nm or less, the switching field can be suppressed to 100 Oe or less in the element of the 0.25 μm rule, and the bias dependency of the MR ratio can be improved. But,
If the thickness of the free layer is less than 1 nm, the free layer may not be a continuous film, and may have a so-called granular structure in which ferromagnetic particles are dispersed in the dielectric layer. As a result,
It becomes difficult to control the bonding characteristics, and depending on the size of the fine particles, there is also a problem that the particles become superparamagnetic at room temperature and the MR ratio is extremely reduced. Therefore, the thickness of the free layer is 1 to
Preferably it is 5 nm.

【0173】実施例8 Si/SiO2基板上に図14のような構造を有するM
RAMを作製した例を示す。Si基板151上にプラズ
マCVDによりSiO2を成膜した。ダマシンプロセス
を用いてワードライン152を形成した。すなわち、レ
ジストを塗布しフォトリソグラフィーによりレジストパ
ターンを形成し、RIEによりSiO2に溝を加工し、
メッキ法を用いて溝内にCuを埋め込んだ後、CMPに
より平坦化を行い、ワードライン152を形成した。そ
の後、プラズマCVDにより、ワードライン152上に
厚さ250nmのSiO2層間絶縁膜を形成した。
[0173] M having a structure as in Example 8 Si / SiO 2 14 on a substrate
An example in which a RAM is manufactured will be described. SiO 2 was formed on the Si substrate 151 by plasma CVD. The word line 152 was formed using a damascene process. That is, a resist is applied, a resist pattern is formed by photolithography, a groove is formed in SiO 2 by RIE,
After Cu was buried in the trenches by plating, planarization was performed by CMP to form word lines 152. Thereafter, a 250 nm thick SiO 2 interlayer insulating film was formed on the word line 152 by plasma CVD.

【0174】この試料をスパッタ装置に入れ、初期真空
度を3×10-8Torrに設定した後、Arを導入して
所定の圧力に設定した。SiO2層間絶縁膜上に、Ta
下地層/Cu(50nm)/Ni81Fe19(5nm)/
Ir22Mn78(12nm)/Co50Fe50(3nm)/
Al23(1nm)/Co90Fe10(2nm)/Ni 81
Fe19(1nm)/Co90Fe10(2nm)/Ru
(0.9nm)/Co90Fe10(2nm)/Ni81Fe
19(1nm)/Co90Fe10(2nm)/Al23(1
nm)/Co80Fe20(3nm)/Ru(0.9nm)
/Co80Fe20/Ir22Mn78(12nm)/Ni81
19(5nm)/Au保護膜を積層した。Al23は、
純Arガス中でAlターゲットを用いてAlを成膜した
後、真空を破ることなく酸素を導入しプラズマ酸素に曝
すことによって形成した。
This sample was put into a sputtering apparatus, and an initial vacuum was applied.
Degree 3 × 10-8After setting to Torr, introduce Ar
A predetermined pressure was set. SiOTwoTa on the interlayer insulating film
Underlayer / Cu (50 nm) / Ni81Fe19(5 nm) /
Irtwenty twoMn78(12 nm) / Co50Fe50(3 nm) /
AlTwoOThree(1 nm) / Co90FeTen(2 nm) / Ni 81
Fe19(1 nm) / Co90FeTen(2 nm) / Ru
(0.9 nm) / Co90FeTen(2 nm) / Ni81Fe
19(1 nm) / Co90FeTen(2 nm) / AlTwoOThree(1
nm) / Co80Fe20(3 nm) / Ru (0.9 nm)
/ Co80Fe20/ Irtwenty twoMn78(12 nm) / Ni81F
e19(5 nm) / Au protective film was laminated. AlTwoOThreeIs
Al film was formed using Al target in pure Ar gas
After that, introduce oxygen without breaking vacuum and expose to plasma oxygen.
Formed by

【0175】上記積層膜上にSi34を成膜し、レジス
トを塗布してフォトリソグラフィによりレジストパター
ンを形成し、RIEにより金属配線153を規定するハ
ードマスクを形成した後、イオンミリングを行い、積層
膜を加工した。その後、レジストパターンを除去した。
After forming Si 3 N 4 on the laminated film, applying a resist, forming a resist pattern by photolithography, forming a hard mask for defining the metal wiring 153 by RIE, and performing ion milling. Then, the laminated film was processed. After that, the resist pattern was removed.

【0176】次に、レジストを塗布してフォトリソグラ
フィにより接合寸法を規定するレジストパターンを形成
し、イオンミリング技術を用いて第1のAl23より上
部の積層膜を加工してTMR素子を形成した。TMR素
子のセルサイズは全て0.4×0.4μm2とした。そ
の後、レジストパターンを除去した。
Next, a resist is applied, a resist pattern for defining a junction size is formed by photolithography, and a laminated film above the first Al 2 O 3 is processed by ion milling technology to form a TMR element. Formed. All the cell sizes of the TMR elements were 0.4 × 0.4 μm 2 . After that, the resist pattern was removed.

【0177】次いで、プラズマCVDによりSiO2
間絶縁膜を成膜し、CMPにより250nmの厚さまで
削って平坦化した。全面にCu、絶縁膜、およびCuを
積層した。この積層膜上にSi34を成膜し、レジスト
を塗布してフォトリソグラフィによりレジストパターン
を形成し、RIEによりハードマスクを形成した後、イ
オンミリングを行い、ビットライン154、層間絶縁層
155、および第2ワードライン156を形成した。そ
の後、試料を磁場中熱処理炉に導入し、磁気記録層に一
軸異方性を、磁化固着層に一方向異方性を導入した。
Next, an SiO 2 interlayer insulating film was formed by plasma CVD, and was flattened by CMP to a thickness of 250 nm. Cu, an insulating film, and Cu were stacked on the entire surface. A Si 3 N 4 film is formed on the laminated film, a resist is applied, a resist pattern is formed by photolithography, a hard mask is formed by RIE, ion milling is performed, and a bit line 154 and an interlayer insulating layer 155 are formed. , And a second word line 156 are formed. Thereafter, the sample was introduced into a heat treatment furnace in a magnetic field, and uniaxial anisotropy was introduced into the magnetic recording layer, and unidirectional anisotropy was introduced into the magnetization fixed layer.

【0178】得られたMRAMに対して以下の3つの方
法で書き込みを行った。
Writing was performed on the obtained MRAM by the following three methods.

【0179】(1)TMR素子に1mAのスピン電流を
注入しながら、ワードライン152および第2ワードラ
イン156に10nsecの電流パルスを流して磁気記
録層115の容易軸方向および困難軸方向に電流磁場を
印加する方法。
(1) While injecting a spin current of 1 mA into the TMR element, a current pulse of 10 nsec is applied to the word line 152 and the second word line 156 to cause a current magnetic field in the easy axis direction and the hard axis direction of the magnetic recording layer 115. How to apply.

【0180】(2)TMR素子へのスピン電流の注入の
みを行う方法。
(2) A method in which only spin current is injected into the TMR element.

【0181】(3)ワードライン152および第2ワー
ドライン156に10nsecの電流パルスを流して磁
気記録層115の容易軸方向および困難軸方向に電流磁
場を印加する方法。
(3) A method of applying a current pulse of 10 nsec to the word line 152 and the second word line 156 to apply a current magnetic field in the easy axis direction and the hard axis direction of the magnetic recording layer 115.

【0182】なお、磁気記録層115の困難軸方向に電
流磁場を印加するための電流パルスは10nsec、3
mA一定とした。
The current pulse for applying a current magnetic field in the hard axis direction of the magnetic recording layer 115 is 10 nsec.
mA was constant.

【0183】磁気記録層115の磁化反転は、書き込み
を行った後、TMRセルに直流電流を流し、出力電圧が
変化したかどうかにより判断した。
The magnetization reversal of the magnetic recording layer 115 was determined based on whether or not the output voltage was changed by applying a DC current to the TMR cell after writing.

【0184】本実施例における0.4×0.4μm2
いうサイズのTMR素子に対しては、(2)のTMR素
子へのスピン電流の注入のみを行う方法では、電流値を
10mAまで増加させても、磁化反転は観測されなかっ
た。(3)の磁気記録層115の容易軸方向および困難
軸方向に電流磁場を印加する方法では、磁気記録層11
5の磁化反転を起こすためには、磁気記録層115の容
易軸方向に電流磁場を印加するための電流を4.3mA
まで増加させる必要があった。
For the TMR element having a size of 0.4 × 0.4 μm 2 in this embodiment, the current value is increased to 10 mA in the method (2) in which only the spin current is injected into the TMR element. However, no magnetization reversal was observed. In the method (3) of applying a current magnetic field in the easy axis direction and the hard axis direction of the magnetic recording layer 115, the magnetic recording layer 11
5, the current for applying a current magnetic field in the easy axis direction of the magnetic recording layer 115 is 4.3 mA.
Had to be increased.

【0185】これに対して、(1)の方法で、1mAの
スピン電流を流しながら、磁気記録層115の容易軸方
向に電流磁場を印加するための電流を増加させたとこ
ろ、2.6mAの電流値で磁気記録層115の磁化反転
が確認された。また、磁気記録層115の容易軸方向に
電流磁場を印加するための電流の向き、およびTMR素
子に流すスピン電流の向きを変えることによって、上記
のような小さい電流値のままで磁気記録層115の磁化
反転を繰り返すことができることがわかった。
On the other hand, in the method (1), while applying a spin current of 1 mA and increasing the current for applying a current magnetic field in the easy axis direction of the magnetic recording layer 115, the current was increased to 2.6 mA. The magnetization reversal of the magnetic recording layer 115 was confirmed by the current value. Further, by changing the direction of the current for applying the current magnetic field in the easy axis direction of the magnetic recording layer 115 and the direction of the spin current flowing through the TMR element, the magnetic recording layer 115 can be maintained at the small current value as described above. Can be repeated.

【0186】このように、本実施例のMRAMの構造お
よび書き込み方法を採用すれば、スピン注入に適した構
造を有し、電流磁界を印加するための配線に流す電流お
よびTMR素子に流す電流を小さくできる。したがっ
て、MRAMの高密度化に伴って配線幅およびTMR素
子サイズが小さくなっても、配線の溶融またはトンネル
バリア層の破壊を抑制することができ、信頼性を向上で
きる。
As described above, if the structure and the writing method of the MRAM of the present embodiment are adopted, the structure has a structure suitable for spin injection, and the current flowing to the wiring for applying a current magnetic field and the current flowing to the TMR element are reduced. Can be smaller. Therefore, even if the wiring width and the TMR element size become smaller as the density of the MRAM increases, melting of the wiring or breakage of the tunnel barrier layer can be suppressed, and the reliability can be improved.

【0187】[0187]

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の強磁性二
重トンネル接合を有する磁気抵抗効果素子では、所望の
出力電圧値を得るため印加電圧値を増やしても磁気抵抗
変化率があまり減少せず、書き込みによって磁化固着層
の一部の磁気モーメントが回転して出力が徐々に低下す
るという問題もなく、しかも反転磁場を自由に設計でき
る。また、MRAMの高密度化に伴って配線幅およびT
MR素子サイズが小さくなっても、配線の溶融またはト
ンネルバリア層の破壊を抑制することができ、信頼性を
向上できる。したがって、大きな出力電圧が安定して得
られる微細な磁気抵抗効果素子を提供でき、磁気抵抗効
果型ヘッド、磁界センサー、磁気記憶素子などに好適に
用いることができる。
As described in detail above, in the magnetoresistance effect element having the ferromagnetic double tunnel junction of the present invention, the magnetoresistance change rate is not so large even if the applied voltage value is increased to obtain a desired output voltage value. It does not decrease, there is no problem that the magnetic moment of a part of the magnetization fixed layer is rotated by writing and the output gradually decreases, and the reversal magnetic field can be designed freely. In addition, the wiring width and T
Even if the size of the MR element is reduced, it is possible to suppress the melting of the wiring or the destruction of the tunnel barrier layer, thereby improving the reliability. Therefore, it is possible to provide a fine magnetoresistive element capable of stably obtaining a large output voltage, and it can be suitably used for a magnetoresistive head, a magnetic field sensor, a magnetic storage element, and the like.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の磁気抵抗効果素子の基本構造を
示す断面図。
FIG. 1 is a sectional view showing a basic structure of a first magnetoresistive element of the present invention.

【図2】本発明の第2の磁気抵抗効果素子の基本構造を
示す断面図。
FIG. 2 is a sectional view showing a basic structure of a second magnetoresistance effect element according to the present invention.

【図3】本発明の第3の磁気抵抗効果素子の基本構造を
示す断面図。
FIG. 3 is a sectional view showing a basic structure of a third magnetoresistive element of the present invention.

【図4】本発明の第4の磁気抵抗効果素子の基本構造を
示す断面図。
FIG. 4 is a sectional view showing a basic structure of a fourth magnetoresistance effect element according to the present invention.

【図5】本発明の第4の磁気抵抗効果素子の変形例の基
本構造を示す断面図。
FIG. 5 is a sectional view showing a basic structure of a modification of the fourth magnetoresistive element of the present invention.

【図6】MOSトランジスタと強磁性二重トンネル接合
素子とを組み合わせたMRAMの等価回路図。
FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of an MRAM in which a MOS transistor and a ferromagnetic double tunnel junction element are combined.

【図7】強磁性二重トンネル接合素子のピン層がビット
ラインの一部を構成する、図6のMRAMの断面図。
7 is a cross-sectional view of the MRAM of FIG. 6, in which a pin layer of the ferromagnetic double tunnel junction device forms a part of a bit line.

【図8】ダイオードと強磁性二重トンネル接合素子とを
組み合わせたMRAMの等価回路図。
FIG. 8 is an equivalent circuit diagram of an MRAM in which a diode and a ferromagnetic double tunnel junction element are combined.

【図9】強磁性二重トンネル接合素子のピン層がビット
ラインの一部を構成する、図8のMRAMの断面図。
FIG. 9 is a cross-sectional view of the MRAM of FIG. 8, in which a pin layer of the ferromagnetic double tunnel junction device forms a part of a bit line.

【図10】本発明の他のMRAMに用いられる強磁性二
重トンネル接合素子の断面図。
FIG. 10 is a sectional view of a ferromagnetic double tunnel junction element used in another MRAM of the present invention.

【図11】本発明の他のMRAMに用いられる強磁性二
重トンネル接合素子の断面図。
FIG. 11 is a sectional view of a ferromagnetic double tunnel junction element used in another MRAM of the present invention.

【図12】本発明の他のMRAMに用いられる強磁性二
重トンネル接合素子の断面図。
FIG. 12 is a sectional view of a ferromagnetic double tunnel junction device used in another MRAM of the present invention.

【図13】本発明に係るMRAMの例を示す断面図。FIG. 13 is a sectional view showing an example of an MRAM according to the present invention.

【図14】本発明に係るMRAMの他の例を示す断面
図。
FIG. 14 is a sectional view showing another example of the MRAM according to the present invention.

【図15】本発明に係るトンネル接合型磁気抵抗効果素
子を含む磁気抵抗効果ヘッドを搭載した磁気ヘッドアセ
ンブリの斜視図。
FIG. 15 is a perspective view of a magnetic head assembly equipped with a magnetoresistive head including a tunnel junction type magnetoresistive element according to the present invention.

【図16】図15に示す磁気ヘッドアセンブリを搭載し
た磁気ディスク装置の内部構造を示す斜視図。
FIG. 16 is a perspective view showing the internal structure of a magnetic disk drive on which the magnetic head assembly shown in FIG. 15 is mounted.

【図17】実施例1の試料AおよびBの磁気抵抗効果曲
線を示す図。
FIG. 17 is a view showing the magnetoresistance effect curves of Samples A and B of Example 1.

【図18】実施例1の試料A、BおよびCについて磁気
抵抗変化率の印加電圧依存性を示す図。
FIG. 18 is a diagram showing the applied voltage dependence of the magnetoresistance ratio for samples A, B, and C of Example 1.

【図19】実施例1の試料A、BおよびDについて、パ
ルス磁場の反転回数と出力電圧との関係を示す図。
FIG. 19 is a diagram showing the relationship between the number of reversals of the pulse magnetic field and the output voltage for samples A, B, and D of Example 1.

【図20】実施例2の試料A2およびB2の磁気抵抗効
果曲線を示す図。
FIG. 20 is a diagram showing magnetoresistance effect curves of Samples A2 and B2 of Example 2.

【図21】実施例2の試料A2、B2およびC2につい
て磁気抵抗変化率の印加電圧依存性を示す図。
FIG. 21 is a diagram showing the applied voltage dependence of the magnetoresistance change rate for samples A2, B2, and C2 of Example 2.

【図22】実施例2の試料A2、B2およびD2につい
て、パルス磁場の反転回数と出力電圧との関係を示す
図。
FIG. 22 is a diagram showing the relationship between the number of reversals of the pulse magnetic field and the output voltage for samples A2, B2, and D2 of Example 2.

【図23】実施例3の試料A3およびB3の磁気抵抗効
果曲線を示す図。
FIG. 23 is a diagram showing magnetoresistance effect curves of Samples A3 and B3 in Example 3.

【図24】実施例3の試料A3、B3およびC3につい
て磁気抵抗変化率の印加電圧依存性を示す図。
FIG. 24 is a diagram showing the applied voltage dependence of the magnetoresistance ratio for samples A3, B3, and C3 of Example 3.

【図25】実施例3の試料A3、B3およびD3につい
て、パルス磁場の反転回数と出力電圧との関係を示す
図。
FIG. 25 is a diagram showing the relationship between the number of reversals of the pulse magnetic field and the output voltage for samples A3, B3, and D3 of Example 3.

【図26】実施例4の試料A4およびB4の磁気抵抗効
果曲線を示す図。
FIG. 26 is a diagram showing magnetoresistance effect curves of Samples A4 and B4 in Example 4.

【図27】実施例4の試料A4、B4およびC4につい
て磁気抵抗変化率の印加電圧依存性を示す図。
FIG. 27 is a diagram showing the applied voltage dependence of the magnetoresistance ratio for samples A4, B4, and C4 of Example 4.

【図28】実施例4の試料A4、B4およびD4につい
て、パルス磁場の反転回数と出力電圧との関係を示す
図。
FIG. 28 is a diagram showing the relationship between the number of reversals of the pulse magnetic field and the output voltage for samples A4, B4, and D4 of Example 4.

【図29】実施例5におけるピン層がビットラインの一
部を構成する磁気抵抗効果素子の断面図。
FIG. 29 is a sectional view of a magnetoresistive element in which a pinned layer forms a part of a bit line in a fifth embodiment.

【図30】実施例5の試料A5およびB5の磁気抵抗効
果曲線を示す図。
FIG. 30 is a view showing a magnetoresistance effect curve of Samples A5 and B5 of Example 5.

【図31】実施例5の試料A5、B5およびC5につい
て磁気抵抗変化率の印加電圧依存性を示す図。
FIG. 31 is a diagram showing the applied voltage dependence of the rate of change in magnetoresistance for samples A5, B5, and C5 of Example 5.

【図32】実施例5の試料A5、B5、D5およびE5
について、パルス磁場の反転回数と出力電圧との関係を
示す図。
FIG. 32 shows samples A5, B5, D5 and E5 of Example 5.
FIG. 4 is a diagram showing a relationship between the number of reversals of the pulse magnetic field and the output voltage for the case of FIG.

【図33】実施例7の試料T1、T2およびT3につい
て、接合幅と磁気抵抗変化率との関係を示す図。
FIG. 33 is a diagram showing the relationship between the junction width and the rate of change in magnetoresistance for samples T1, T2, and T3 of Example 7.

【図34】実施例7の試料T1、T2およびT3につい
て、磁気抵抗変化率の印加電圧依存性を示す図。
FIG. 34 is a diagram showing the applied voltage dependence of the magnetoresistance change rate for samples T1, T2 and T3 of Example 7.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…磁気抵抗効果素子 11…第1の反強磁性層 12…第1の強磁性層 13…第1の誘電体層 14…第2の強磁性層 15…第2の誘電体層 16…第3の強磁性層 17…第2の反強磁性層 20…磁気抵抗効果素子 21…第1の強磁性層 22…第1の誘電体層 23…第2の強磁性層 24…第1の反強磁性層 25…第3の強磁性層 26…第2の誘電体層 27…第4の強磁性層 30…磁気抵抗効果素子 31…第1の反強磁性層 32…第1の強磁性層 33…第1の誘電体層 34…第2の強磁性層 35…第2の反強磁性層 36…第3の強磁性層 37…第2の誘電体層 38…第4の強磁性層 39…第3の反強磁性層 40…磁気抵抗効果素子 41…第1の強磁性層 42…第1の誘電体層 43…第2の強磁性層 44…第1の非磁性層 45…第3の強磁性層 46…第2の非磁性層 47…第4の強磁性層 48…第2の誘電体層 49…第5の強磁性層 50…反強磁性層 60…トランジスタ 61…シリコン基板 62…ゲート電極(読み出し用ワードライン) 62、63…ソース、ドレイン領域 71…書き込み用ワードライン 72…コンタクトメタル 73…下地層 74…ビットライン 80…ダイオード 81…下地層 91…ワードライン 92…ビットライン 101…下地層 102…第1の反強磁性層 103…第1の磁化固着層 104…第1の誘電体層 105…磁気記録層 106…第2の誘電体層 107…第2の磁化固着層 108…第2の反強磁性層 109…保護層 111…下地層 112…第1の反強磁性層 113…第1の磁化固着層 114…第1の誘電体層 115…磁気記録層 116…第2の誘電体層 117…第2の磁化固着層 118…第2の反強磁性層 119…保護層 121…下地層 122…第1の反強磁性層 123…第1の磁化固着層 124…第1の誘電体層 125…磁気記録層 126…第2の誘電体層 127…第2の磁化固着層 128…第2の反強磁性層 129…保護層 151…Si基板 152…ワードライン 153…金属配線 154…ビットライン 155…絶縁層 156…第2ワードライン 201…アクチュエータアーム 202…サスペンション 203…ヘッドスライダ 204…リード線 205…電極パッド 211…磁気ディスク 212…スピンドル 213…固定軸 214…ボイスコイルモータ DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Magnetoresistance effect element 11 ... 1st antiferromagnetic layer 12 ... 1st ferromagnetic layer 13 ... 1st dielectric layer 14 ... 2nd ferromagnetic layer 15 ... 2nd dielectric layer 16 ... 3 ferromagnetic layer 17 second antiferromagnetic layer 20 magnetoresistive element 21 first ferromagnetic layer 22 first dielectric layer 23 second ferromagnetic layer 24 first antiferromagnetic layer Ferromagnetic layer 25 Third ferromagnetic layer 26 Second dielectric layer 27 Fourth ferromagnetic layer 30 Magnetoresistive element 31 First antiferromagnetic layer 32 First ferromagnetic layer 33 first dielectric layer 34 second ferromagnetic layer 35 second antiferromagnetic layer 36 third ferromagnetic layer 37 second dielectric layer 38 fourth ferromagnetic layer 39 ... Third antiferromagnetic layer 40... Magnetoresistive element 41. First ferromagnetic layer 42. First dielectric layer 43. Second ferromagnetic layer 44. Third ferromagnetic layer 46 Second nonmagnetic layer 47 Fourth ferromagnetic layer 48 Second dielectric layer 49 Fifth ferromagnetic layer 50 Antiferromagnetic layer 60 Transistor 61 Silicon Substrate 62 ... gate electrode (read word line) 62, 63 ... source and drain regions 71 ... write word line 72 ... contact metal 73 ... underlayer 74 ... bit line 80 ... diode 81 ... underlayer 91 ... word line 92 ... Bit line 101: Underlayer 102: First antiferromagnetic layer 103: First magnetization pinned layer 104: First dielectric layer 105: Magnetic recording layer 106: Second dielectric layer 107: Second magnetization Fixed layer 108 Second antiferromagnetic layer 109 Protective layer 111 Underlayer 112 First antiferromagnetic layer 113 First magnetic pinned layer 114 First dielectric layer 115 Magnetic Recording layer 116 second dielectric layer 117 second magnetization fixed layer 118 second antiferromagnetic layer 119 protective layer 121 underlayer 122 first antiferromagnetic layer 123 first magnetization Pinned layer 124 First dielectric layer 125 Magnetic recording layer 126 Second dielectric layer 127 Second magnetic pinned layer 128 Second antiferromagnetic layer 129 Protective layer 151 Si substrate 152 Word line 153 Metal wiring 154 Bit line 155 Insulating layer 156 Second word line 201 Actuator arm 202 Suspension 203 Head slider 204 Lead wire 205 Electrode pad 211 Magnetic disk 212 Spindle 213 Fixed axis 214 ... voice coil motor

フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 43/12 G01R 33/06 R (72)発明者 猪俣 浩一郎 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 砂井 正之 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 岸 達也 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内Continuation of the front page (51) Int.Cl. 7 Identification FI FI Theme Court II (Reference) H01L 43/12 G01R 33/06 R (72) Inventor Koichiro Inomata 1 Kosuka Toshiba-cho, Sai-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Stock Company (72) Inventor Masayuki Sunai 1st location, Komukai Toshiba-cho, Saisaki-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Prefecture Inside Toshiba Research & Development Center Co., Ltd. (72) Inventor Tatsuya Kishi Toshiba Komukai-shi, Kawasaki-shi, Kanagawa No. 1 town Toshiba R & D Center

Claims (11)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 第1の反強磁性層/第1の強磁性層/第
1の誘電体層/第2の強磁性層/第2の誘電体層/第3
の強磁性層/第2の反強磁性層が積層された強磁性二重
トンネル接合を有する磁気抵抗効果素子であって、前記
第2の強磁性層がCo基合金またはCo基合金/Ni−
Fe合金/Co基合金の三層膜からなり、前記第1ない
し第3の強磁性層にトンネル電流を流すことを特徴とす
る磁気抵抗効果素子。
1. A first antiferromagnetic layer / a first ferromagnetic layer / a first dielectric layer / a second ferromagnetic layer / a second dielectric layer / a third dielectric layer
Wherein the second ferromagnetic layer is formed of a Co-based alloy or a Co-based alloy / Ni-
A magnetoresistive element comprising a three-layered film of an Fe alloy / Co-based alloy, wherein a tunnel current flows through the first to third ferromagnetic layers.
【請求項2】 第1の強磁性層/第1の誘電体層/第2
の強磁性層/第1の反強磁性層/第3の強磁性層/第2
の誘電体層/第4の強磁性層が積層された強磁性二重ト
ンネル接合を有する磁気抵抗効果素子であって、前記第
1および第4の強磁性層がCo基合金またはCo基合金
/Ni−Fe合金/Co基合金の三層膜からなり、前記
第1ないし第4の強磁性層にトンネル電流を流すことを
特徴とする磁気抵抗効果素子。
2. The first ferromagnetic layer / first dielectric layer / second ferromagnetic layer
Ferromagnetic layer / first antiferromagnetic layer / third ferromagnetic layer / second
Wherein the first and fourth ferromagnetic layers are formed of a Co-based alloy or a Co-based alloy. A magnetoresistance effect element comprising a three-layer film of a Ni-Fe alloy / Co-based alloy, wherein a tunnel current flows through the first to fourth ferromagnetic layers.
【請求項3】 第1の反強磁性層/第1の強磁性層/第
1の誘電体層/第2の強磁性層/第2の反強磁性層/第
3の強磁性層/第2の誘電体層/第4の強磁性層/第3
の反強磁性層が積層された強磁性二重トンネル接合を有
する磁気抵抗効果素子であって、前記第1および第4の
強磁性層または前記第2および第3の強磁性層がCo基
合金またはCo基合金/Ni−Fe合金/Co基合金の
三層膜からなり、前記第1ないし第4の強磁性層にトン
ネル電流を流すことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
3. The first antiferromagnetic layer / first ferromagnetic layer / first dielectric layer / second ferromagnetic layer / second antiferromagnetic layer / third ferromagnetic layer / third ferromagnetic layer 2nd dielectric layer / 4th ferromagnetic layer / 3rd
Wherein the first and fourth ferromagnetic layers or the second and third ferromagnetic layers are Co-based alloys. A magnetoresistive element comprising a three-layered film of a Co-based alloy / Ni-Fe alloy / Co-based alloy, wherein a tunnel current flows through the first to fourth ferromagnetic layers.
【請求項4】 第1の強磁性層/第1の誘電体層/第2
の強磁性層/第1の非磁性層/第3の強磁性層/第2の
非磁性層/第4の強磁性層/第2の誘電体層/第5の強
磁性層が積層された強磁性二重トンネル接合を有する磁
気抵抗効果素子であって、互いに隣り合う第2、第3、
第4の強磁性層が非磁性層を介して反強磁性結合してお
り、前記第1および第5の強磁性層がCo基合金または
Co基合金/Ni−Fe合金/Co基合金の三層膜から
なり、前記第1ないし第5の強磁性層にトンネル電流を
流すことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
4. A first ferromagnetic layer / first dielectric layer / second ferromagnetic layer
Ferromagnetic layer / first nonmagnetic layer / third ferromagnetic layer / second nonmagnetic layer / fourth ferromagnetic layer / second dielectric layer / fifth ferromagnetic layer A magnetoresistive effect element having a ferromagnetic double tunnel junction, wherein a second, third,
The fourth ferromagnetic layer is antiferromagnetically coupled via a non-magnetic layer, and the first and fifth ferromagnetic layers are formed of a Co-based alloy or a Co-based alloy / Ni-Fe alloy / Co-based alloy. A magnetoresistive effect element comprising a layer film, wherein a tunnel current flows through the first to fifth ferromagnetic layers.
【請求項5】 前記Co基合金またはCo基合金/Ni
−Fe合金/Co基合金の三層膜の膜厚が、1〜5nm
であることを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに
記載の磁気抵抗効果素子。
5. The Co-based alloy or Co-based alloy / Ni
The thickness of the three-layer film of the Fe alloy / Co-based alloy is 1 to 5 nm;
The magnetoresistive element according to any one of claims 1 to 4, wherein
【請求項6】 トランジスタまたはダイオードと、請求
項1ないし4のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子とを
具備したことを特徴とする磁気記録素子。
6. A magnetic recording element comprising: a transistor or a diode; and the magnetoresistive element according to claim 1.
【請求項7】 トランジスタまたはダイオードと、請求
項1または3に記載の磁気抵抗効果素子とを具備した磁
気記録素子において、前記磁気抵抗効果素子の少なくと
も最上層の反強磁性層がビットラインの一部を構成して
いることを特徴とする磁気記録素子。
7. A magnetic recording element comprising a transistor or a diode and the magnetoresistive element according to claim 1 or 2, wherein at least the uppermost antiferromagnetic layer of the magnetoresistive element is a bit line. A magnetic recording element comprising a magnetic recording element.
【請求項8】 磁化方向が固着された第1の磁化固着層
と、第1の誘電体層と、磁化方向が反転可能な磁気記録
層と、第2の誘電体層と、磁化方向が固着された第2の
磁化固着層とを有し、前記磁気記録層が、磁性層、非磁
性層、および磁性層の三層膜を含み、該三層膜を構成す
る2つの磁性層が反強磁性結合しており、前記2つの磁
化固着層の誘電体層に接する領域の磁化が実質的に反平
行であることを特徴とする磁気記録素子。
8. A first magnetization fixed layer having a fixed magnetization direction, a first dielectric layer, a magnetic recording layer whose magnetization direction is reversible, a second dielectric layer, and a magnetization direction fixed to the first and second dielectric layers. A second magnetic pinned layer, wherein the magnetic recording layer includes a three-layer film of a magnetic layer, a non-magnetic layer, and a magnetic layer, and the two magnetic layers constituting the three-layer film are anti-strong. A magnetic recording element magnetically coupled, wherein the magnetizations of regions of the two magnetization fixed layers that are in contact with the dielectric layer are substantially antiparallel.
【請求項9】 磁化方向が固着された第1の磁化固着層
と、第1の誘電体層と、磁化方向が反転可能な磁気記録
層と、第2の誘電体層と、磁化方向が固着された第2の
磁化固着層とを有し、前記磁気記録層が、磁性層、非磁
性層、および磁性層の三層膜を含み、該三層膜を構成す
る2つの磁性層が反強磁性結合しており、前記第2の磁
化固着層が、磁性層、非磁性層、および磁性層の三層膜
を含み、該三層膜を構成する2つの磁性層が反強磁性結
合しており、前記第1の磁化固着層の長さが、前記第2
の磁化固着層および前記磁気記録層の長さよりも長く形
成されており、前記2つの磁化固着層の誘電体層に接す
る領域の磁化が実質的に反平行であることを特徴とする
磁気記録素子。
9. A first magnetization pinned layer having a fixed magnetization direction, a first dielectric layer, a magnetic recording layer whose magnetization direction is reversible, a second dielectric layer, and a magnetization direction fixed to each other. A second magnetic pinned layer, wherein the magnetic recording layer includes a three-layer film of a magnetic layer, a non-magnetic layer, and a magnetic layer, and the two magnetic layers constituting the three-layer film are anti-strong. Magnetically coupled, the second magnetization pinned layer includes a three-layer film of a magnetic layer, a non-magnetic layer, and a magnetic layer, and two magnetic layers constituting the three-layer film are antiferromagnetically coupled. The length of the first magnetization fixed layer is
The magnetic recording element is formed to be longer than the lengths of the magnetization fixed layer and the magnetic recording layer, and the magnetizations of regions of the two magnetization fixed layers that are in contact with the dielectric layer are substantially antiparallel. .
【請求項10】 請求項8記載の磁気記録素子を構成す
る前記第1または第2の磁化固着層を通して前記磁気記
録層にスピン電流を供給するとともに、書き込み用の配
線に電流を流して前記磁気記録層に電流磁界を印加する
ことを特徴とする磁気記録素子への書き込み方法。
10. A spin current is supplied to the magnetic recording layer through the first or second magnetization pinned layer constituting the magnetic recording element according to claim 8, and a current is supplied to a write wiring to supply the spin current. A method for writing to a magnetic recording element, wherein a current magnetic field is applied to a recording layer.
【請求項11】 請求項1ないし4のいずれかに記載の
磁気抵抗素子を具備したことを特徴とする磁気センサー
または磁気ヘッド。
11. A magnetic sensor or a magnetic head comprising the magnetoresistive element according to claim 1.
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