JP2001237470A - Magnetic tunnel junction element and magnetic memory using the same - Google Patents

Magnetic tunnel junction element and magnetic memory using the same

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JP2001237470A
JP2001237470A JP2000045447A JP2000045447A JP2001237470A JP 2001237470 A JP2001237470 A JP 2001237470A JP 2000045447 A JP2000045447 A JP 2000045447A JP 2000045447 A JP2000045447 A JP 2000045447A JP 2001237470 A JP2001237470 A JP 2001237470A
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layer
magnetic
ferromagnetic
ferromagnetic layer
magnetic layer
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JP2000045447A
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Masashi Michijima
正司 道嶋
Hidekazu Hayashi
秀和 林
Ryoji Namikata
量二 南方
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Sharp Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problem that the influence of a diamagnetic field due to magnetic poles at both ends due to the thinning of an element and the magnetization of a memory layer becomes unstable, since the magnetization of a ferromagnetic layer that becomes the memory layer in a magnetic tunnel junction(MTJ) element for improving sensitivity by lamination is in the direction of the inside of a surface. SOLUTION: A closed magnetic path layer 16 is provided on a ferromagnetic layer 14 that becomes the memory layer of a laminated MTJ element 1, and the ferromagnetic layer 14 and a closed magnetic path layer 16 are jointed via metal layers 15 and 15' at both ends and are separated at a central part.

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】本発明は磁気トンネル接合素
子及びそれを用いた磁気メモリに関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a magnetic tunnel junction device and a magnetic memory using the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、磁気トンネル接合(MTJ)素子
は、従来の異方性磁気抵抗効果(AMR)素子や巨大磁
気抵抗効果(GMR)素子に比べて大きな出力が得られ
ることから、HDD(ハード・ディスク・ドライブ)用
再生ヘッドや磁気メモリへの応用が考えられている。特
に、磁気メモリは半導体メモリと同じく稼動部の無い固
体メモリであるが、電源が断たれても情報を失わない、
繰り返し回数が無限回である、放射線が入射しても記録
内容が消失する危険性が無い等、半導体メモリと比較し
て有用である。
2. Description of the Related Art In recent years, a magnetic tunnel junction (MTJ) element can provide a larger output than a conventional anisotropic magnetoresistive (AMR) element or giant magnetoresistive (GMR) element, so that an Applications to read heads for hard disk drives) and magnetic memories have been considered. In particular, a magnetic memory is a solid-state memory having no moving parts like a semiconductor memory, but does not lose information even when power is cut off.
It is more useful than a semiconductor memory, for example, the number of repetitions is infinite, and there is no danger of losing recorded contents even when radiation is incident.

【0003】このような磁気ヘッドや磁気メモリへの応
用を考えた場合、高い抵抗変化率が重要となる。このよ
うな要請に対し、材料的な観点からの抵抗変化率の改善
は限られていることから、膜構成による抵抗変化率の向
上が考えられている。例えば、特開平11―16343
6号公報では複数のMTJ素子を積層することにより高
い抵抗変化率を実現している。
When considering application to such magnetic heads and magnetic memories, a high resistance change rate is important. In response to such a demand, the improvement in the rate of change in resistance from the viewpoint of materials is limited, and therefore the improvement in the rate of change in resistance by the film configuration is considered. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-16343
In JP-A-6, a high resistance change rate is realized by stacking a plurality of MTJ elements.

【0004】特開平11―163436号公報で示され
ているMTJ素子の構成を図5に示す。図5のMTJ素
子は、第1の強磁性層51、第1の絶縁層52、第2の強
磁性層53、第2の絶縁層54、第3の強磁性層55を
積層したものである。ここでは磁気ヘッドへの応用を主
目的としているが、磁気メモリへ応用することも可能で
ある。
FIG. 5 shows the configuration of an MTJ element disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-163436. The MTJ element shown in FIG. 5 has a structure in which a first ferromagnetic layer 51, a first insulating layer 52, a second ferromagnetic layer 53, a second insulating layer 54, and a third ferromagnetic layer 55 are stacked. . Here, the main purpose is to apply to a magnetic head, but it is also possible to apply to a magnetic memory.

【0005】図5の構造のMTJ素子を磁気メモリに使
用する場合は、強磁性層51、強磁性層53及び強磁性
層55の磁化がいずれも膜面内にあり、平行もしくは反
平行となるように実効的な一軸磁気異方性を有していれ
ばよい。
When the MTJ element having the structure shown in FIG. 5 is used for a magnetic memory, the magnetizations of the ferromagnetic layer 51, the ferromagnetic layer 53 and the ferromagnetic layer 55 are all in the film plane and are parallel or antiparallel. It is only necessary to have an effective uniaxial magnetic anisotropy as described above.

【0006】強磁性層51及び強磁性層55の磁化は反
強磁性層との交換結合などにより実質的に一方向に固定
され、強磁性層53の磁化の方向で記憶を保持する。メ
モリ層となる強磁性層53の磁化が他の強磁性層51、
55と平行もしくは反平行でMTJ素子の抵抗が異なる
ことを検出することにより読み出しを行う。図5に示す
構造では、磁気トンネル接合部が二つ直列に接続されて
いることから、単一の磁気トンネル接合部を有する従来
のMTJ素子に比して略二倍の出力を得ることができ
る。
The magnetizations of the ferromagnetic layer 51 and the ferromagnetic layer 55 are substantially fixed in one direction by exchange coupling with the antiferromagnetic layer, and the memory is retained in the direction of the magnetization of the ferromagnetic layer 53. The magnetization of the ferromagnetic layer 53 serving as a memory layer is
Reading is performed by detecting that the resistance of the MTJ element is different between parallel and anti-parallel to 55. In the structure shown in FIG. 5, since two magnetic tunnel junctions are connected in series, it is possible to obtain approximately twice the output as compared with the conventional MTJ element having a single magnetic tunnel junction. .

【0007】また、書込みはMTJ素子の近傍に配置し
た電流線が発生する磁界を利用して強磁性層53の磁化
の向きを変えることで実現される。
[0007] Writing is realized by changing the direction of magnetization of the ferromagnetic layer 53 using a magnetic field generated by a current line arranged near the MTJ element.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】上記構造のMTJ素子
では強磁性層51、強磁性層53及び強磁性層55の磁
化が面内方向であるため、両端部には磁極が発生する。
磁気メモリの高密度化を図るにはMTJ素子を微細化す
る必要があるが、素子の微細化にともない両端部の磁極
による反磁界の影響が大きくなる。
In the MTJ element having the above structure, since the magnetizations of the ferromagnetic layers 51, 53 and 55 are in the in-plane direction, magnetic poles are generated at both ends.
To increase the density of the magnetic memory, it is necessary to miniaturize the MTJ element. However, as the element is miniaturized, the influence of the demagnetizing field due to the magnetic poles at both ends increases.

【0009】強磁性層51及び55が反強磁性層と交換
結合している場合には、上記の反磁界の影響は少ない。
また、強磁性層51及び55を反強磁性結合する二つの
強磁性層で構成することにより、端部に発生する磁極を
実質的にゼロにすることができる。
When the ferromagnetic layers 51 and 55 are exchange-coupled with the antiferromagnetic layer, the influence of the above demagnetizing field is small.
Further, by forming the ferromagnetic layers 51 and 55 with two ferromagnetic layers that are antiferromagnetically coupled, the magnetic pole generated at the end can be made substantially zero.

【0010】しかしながら、メモリ層となる強磁性層5
3については同様の手法を取ることができないことか
ら、パターンが微細化するに連れて端部磁極の影響によ
り磁化が不安定となり、記憶の保持が困難となる。
However, the ferromagnetic layer 5 serving as a memory layer
Since the same method cannot be used for No. 3, the magnetization becomes unstable due to the influence of the end poles as the pattern becomes finer, and it becomes difficult to retain the memory.

【0011】本発明は上記課題を解決するために、パタ
ーンが微細化してもメモリ層に記録された磁化状態が安
定に存在することのできる磁気トンネル接合素子及びそ
れを用いた磁気メモリを提供することを目的とする。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a magnetic tunnel junction element capable of stably presenting a magnetization state recorded in a memory layer even when a pattern is miniaturized, and a magnetic memory using the same. The purpose is to:

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】本発明の磁気トンネル接
合素子は、少なくとも第1磁性層、第1絶縁層、第2磁
性層、第2絶縁層、第3磁性層を積層する磁気トンネル
接合素子であって、前記第2磁性層の前記第1絶縁層積
層側または前記第2絶縁層積層側のいずれかに、金属層
を介するとともに中央部を離間して第4磁性層を設け、
前記第2磁性層及び第4磁性層により閉磁路を構成した
ことを特徴とする。
According to the present invention, there is provided a magnetic tunnel junction device comprising at least a first magnetic layer, a first insulating layer, a second magnetic layer, a second insulating layer, and a third magnetic layer. Wherein a fourth magnetic layer is provided on either the first insulating layer laminated side or the second insulating layer laminated side of the second magnetic layer with a metal layer interposed therebetween and a central portion separated therefrom,
A closed magnetic circuit is formed by the second magnetic layer and the fourth magnetic layer.

【0013】さらに、前記第1磁性層に交換結合する第
1反強磁性層を積層し、前記第3磁性層に交換結合する
第2反強磁性層を積層したことを特徴とする。
Further, a first antiferromagnetic layer which is exchange-coupled to the first magnetic layer is laminated, and a second antiferromagnetic layer which is exchange-coupled to the third magnetic layer is laminated.

【0014】さらに、前記第1反強磁性層と前記第1磁
性層の交換結合の消失する温度と、前記第2反強磁性層
と前記第3磁性層の交換結合の消失する温度が異なるこ
とを特徴とする。
Further, a temperature at which exchange coupling between the first antiferromagnetic layer and the first magnetic layer disappears and a temperature at which exchange coupling between the second antiferromagnetic layer and the third magnetic layer disappears are different. It is characterized by.

【0015】また、少なくとも前記第1磁性層または第
2磁性層のいずれかを、金属層を介して反強磁性結合す
る2つ以上の強磁性層で構成したことを特徴とする。
Further, at least one of the first magnetic layer and the second magnetic layer is constituted by two or more ferromagnetic layers which are antiferromagnetically coupled via a metal layer.

【0016】また、前記2磁性層と第4磁性層の離間部
に少なくとも1つのリード線を設けたことを特徴とす
る。
Further, at least one lead wire is provided at a space between the second magnetic layer and the fourth magnetic layer.

【0017】本発明の磁気メモリは、少なくとも第1磁
性層、第1絶縁層、第2磁性層、第2絶縁層、第3磁性
層を積層し、前記第2磁性層の前記第1絶縁層積層側ま
たは前記第2絶縁層積層側のいずれかに、金属層を介す
るとともに中央部を離間して第4磁性層を設け、前記第
2磁性層及び第4磁性層により閉磁路を構成した磁気ト
ンネル接合素子を用いたことを特徴とする。
According to the magnetic memory of the present invention, at least a first magnetic layer, a first insulating layer, a second magnetic layer, a second insulating layer, and a third magnetic layer are laminated, and the first insulating layer of the second magnetic layer is formed. A fourth magnetic layer is provided on either the lamination side or the second insulation layer lamination side with a metal layer interposed therebetween and with a central portion separated, and a closed magnetic circuit is formed by the second magnetic layer and the fourth magnetic layer. It is characterized by using a tunnel junction element.

【0018】[0018]

【発明の実施の形態】以下、本発明について、図1から
図4を用いて説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below with reference to FIGS.

【0019】[実施例1]図1に実施例1のMTJ素子
の構成を示す。
[Embodiment 1] FIG. 1 shows a configuration of an MTJ element of Embodiment 1.

【0020】図1において、MTJ素子1は、反強磁性
層11、強磁性層12、絶縁層13、強磁性層14、金
属層15、15′、強磁性層(閉磁路層)16、絶縁層
17、強磁性層18、反強磁性層19からなる。強磁性
層14と強磁性層(閉磁路層)16は両端部で金属層1
5、15′を介して接合し、中央部で離間している。
In FIG. 1, the MTJ element 1 has an antiferromagnetic layer 11, a ferromagnetic layer 12, an insulating layer 13, a ferromagnetic layer 14, metal layers 15, 15 ', a ferromagnetic layer (closed magnetic circuit layer) 16, It comprises a layer 17, a ferromagnetic layer 18, and an antiferromagnetic layer 19. The ferromagnetic layer 14 and the ferromagnetic layer (closed magnetic circuit layer) 16 have metal layers 1 at both ends.
They are joined via 5, 15 'and are separated at the center.

【0021】ここで、金属層15、15′の膜厚を、強
磁性層14と強磁性層(閉磁路層)16が反強磁性結合
する膜厚に設定することにより、強磁性層14と強磁性
層(閉磁路層)16の磁化の向きが反対になり、強磁性
層14と強磁性層(閉磁路層)16の磁化は閉ループを
構成することから、強磁性層14の端部に磁極が発生す
るのを回避することができる。
Here, by setting the thickness of the metal layers 15 and 15 'to a thickness at which the ferromagnetic layer 14 and the ferromagnetic layer (closed magnetic path layer) 16 are antiferromagnetically coupled, the ferromagnetic layer 14 and the ferromagnetic layer 14 are closed. Since the magnetization directions of the ferromagnetic layer (closed magnetic path layer) 16 are reversed, and the magnetizations of the ferromagnetic layer 14 and the ferromagnetic layer (closed magnetic path layer) 16 form a closed loop, The occurrence of magnetic poles can be avoided.

【0022】また、反強磁性層11と強磁性層12、反
強磁性層19と強磁性層18はそれぞれ交換結合し、強
磁性層12及び強磁性層18の磁化の向きは固定されて
いる。
The antiferromagnetic layer 11 and the ferromagnetic layer 12 are exchange-coupled with each other, and the antiferromagnetic layer 19 and the ferromagnetic layer 18 are exchange-coupled, and the magnetization directions of the ferromagnetic layers 12 and 18 are fixed. .

【0023】強磁性層12、14、18及び閉磁路層1
6の材料としては、Fe、Co、Ni或はこれらの合金
を用いることができる。また、反強磁性層11、19の
材料としては、FeMn、NiMn、PtMn、IrM
n等の合金を用いることができる。
Ferromagnetic layers 12, 14, 18 and closed magnetic circuit layer 1
As the material of No. 6, Fe, Co, Ni, or an alloy thereof can be used. The materials of the antiferromagnetic layers 11 and 19 include FeMn, NiMn, PtMn, and IrM.
An alloy such as n can be used.

【0024】絶縁層13、17としては、抵抗変化率の
点からAl23膜が望ましいが、その他の酸化膜、窒化
膜等の絶縁膜も使用できる。また、Si膜、ダイヤモン
ド膜、ダイヤモンドライクカーボン(DLC)膜等の共
有結合を有する絶縁膜も使用できる。また、金属層1
5、15′の材料としては、Ru、Cr、Cu等の金属
或いはこれらの合金を用いることができる。
The insulating layers 13 and 17 are preferably Al 2 O 3 films from the viewpoint of the rate of change in resistance, but other insulating films such as an oxide film and a nitride film can also be used. Further, an insulating film having a covalent bond such as a Si film, a diamond film, and a diamond-like carbon (DLC) film can also be used. Also, the metal layer 1
Metals such as Ru, Cr, and Cu or alloys thereof can be used as the materials 5 and 15 '.

【0025】MTJ素子1は、強磁性層14と強磁性層
(閉磁路層)16が作る閉ループの磁化方向で記憶を保
持し、強磁性層14と強磁性層(閉磁路層)16が作る
閉ループの磁化方向と固定層である強磁性層12、18
との磁化方向が平行もしくは反平行となることによる抵
抗変化で記憶状態を読み出す。
The MTJ element 1 retains memory in a closed loop magnetization direction formed by the ferromagnetic layer 14 and the ferromagnetic layer (closed magnetic path layer) 16, and is formed by the ferromagnetic layer 14 and the ferromagnetic layer (closed magnetic path layer) 16. Closed-loop magnetization direction and pinned ferromagnetic layers 12, 18
The stored state is read out by a resistance change caused by the magnetization direction of と becomes parallel or antiparallel.

【0026】このように、強磁性層14と強磁性層(閉
磁路層)16が作る閉ループの磁化方向で記憶を保持す
ることから、強磁性層12、18の磁化は反強磁性層1
1、19との交換結合で互いに逆方向に固定されていな
ければならない。
As described above, since the memory is maintained in the closed loop magnetization direction created by the ferromagnetic layer 14 and the ferromagnetic layer (closed magnetic path layer) 16, the magnetization of the ferromagnetic layers 12 and 18 is
They must be fixed in opposite directions by exchange coupling with 1,19.

【0027】このような磁化の配置は、反強磁性層1
1、19に交換結合磁界の消失する温度(ブロッキング
温度)Tbが異なる材料を用いることで実現される。
The arrangement of such magnetization is determined by the antiferromagnetic layer 1
1 and 19 are realized by using materials having different exchange coupling magnetic field disappearing temperatures (blocking temperatures) Tb.

【0028】例えば、反強磁性層11にPtMn膜を用
い、反強磁性層19にIrMn膜を用いた例で説明す
る。PtMnはAuCuI型の規則相をもつ反強磁性体
であり、そのTb1は380℃である。一方、IrMn
は面心立方構造をもつ反強磁性体であり、そのTb2は
270℃である。
For example, an example in which a PtMn film is used for the antiferromagnetic layer 11 and an IrMn film is used for the antiferromagnetic layer 19 will be described. PtMn is an antiferromagnetic material having an AuCuI type ordered phase, and its Tb1 is 380 ° C. On the other hand, IrMn
Is an antiferromagnetic material having a face-centered cubic structure, and its Tb2 is 270 ° C.

【0029】まず、同一真空中で全ての層(11〜1
9)を形成後に、PtMn膜からなる反強磁性層11を
規則化させるためにある方向に磁界を印加しながら25
0℃で6時間の熱処理を行う。これにより、PtMn膜
(反強磁性層11)は規則化し、そのスピンは印加磁界
方向を向いた強磁性層12の磁化の影響を受けながら冷
却の過程で配列する。その結果発生する交換結合によ
り、強磁性層11は印加磁界方向に固定される。
First, all the layers (11 to 1) were placed in the same vacuum.
After forming 9), a magnetic field is applied in a certain direction to order the antiferromagnetic layer 11 made of a PtMn film.
Heat treatment is performed at 0 ° C. for 6 hours. As a result, the PtMn film (antiferromagnetic layer 11) is ordered, and its spins are arranged in the course of cooling under the influence of the magnetization of the ferromagnetic layer 12 oriented in the direction of the applied magnetic field. The resulting exchange coupling fixes the ferromagnetic layer 11 in the direction of the applied magnetic field.

【0030】次に、Tb1以下かつTb2以上の温度ま
で加熱し、最初とは逆(180°)の方向に磁界を印加
しながら冷却する。これにより、IrMn膜からなる反
強磁性層19のスピンは隣接する逆方向を向いた強磁性
層18の磁化の影響を受けながら冷却の過程で再配列
し、その結果隣接する強磁性層18の磁化は最初の熱処
理とは反平行の方向に固定される。
Next, the substrate is heated to a temperature equal to or lower than Tb1 and equal to or higher than Tb2, and is cooled while applying a magnetic field in a direction opposite to the first direction (180 °). As a result, the spins of the antiferromagnetic layer 19 made of the IrMn film are rearranged in the course of cooling under the influence of the magnetization of the ferromagnetic layer 18 that is oriented in the opposite direction, and as a result, the spin of the adjacent ferromagnetic layer 18 is changed. The magnetization is fixed in a direction antiparallel to the first heat treatment.

【0031】この時、PtMn膜からなる反強磁性層1
1と強磁性層12の磁化方向は、Tb1以下であるため
に、影響を受けずにはじめの熱処理の方向が維持され
る。その結果、強磁性層12と強磁性層18の磁化方向
は反平行となる。
At this time, the antiferromagnetic layer 1 made of a PtMn film
Since the magnetization directions of 1 and the ferromagnetic layer 12 are equal to or less than Tb1, the direction of the first heat treatment is maintained without being affected. As a result, the magnetization directions of the ferromagnetic layers 12 and 18 are antiparallel.

【0032】なお、反強磁性層の材料及び磁化の配向方
法は、上記に限定されるものではなく、Tbが異なる2
つの反強磁性層であればよい。また、磁化の配向方法と
しても磁界中で熱処理する方法以外に、成膜時の磁界方
向を制御する、或いはこれらを組み合わせる等の方法で
も実現できる。また、反強磁性層に不規則合金膜を使用
する場合には、規則合金膜の場合のような規則化のため
の熱処理が必要ないことは明らかである。
The material of the antiferromagnetic layer and the method of orienting the magnetization are not limited to those described above.
Any number of antiferromagnetic layers may be used. In addition to the method of heat treatment in a magnetic field, a method of controlling the direction of the magnetic field at the time of film formation or a method of combining these methods can also be realized as the method of orientation of magnetization. Also, when an irregular alloy film is used for the antiferromagnetic layer, it is apparent that heat treatment for ordering unlike the case of an ordered alloy film is not required.

【0033】強磁性層12、14、18及び閉磁路層1
7の膜厚は、10Å以上1000Å以下であることが望
ましい。膜厚が薄すぎると熱エネルギーの影響で超常磁
性化するため、磁性層膜厚は10Å以上であることが望
ましい。一方、膜厚が厚すぎると本発明の閉磁路構造で
は端部磁極の影響を回避できなくなるため、磁性層膜厚
は1000Å以下であることが望ましい。また、各磁性
層を多層膜で構成することも可能であり、この場合には
合計の膜厚を10Å以上1000Å以下に設定すれば良
い。
Ferromagnetic layers 12, 14, 18 and closed magnetic circuit layer 1
It is desirable that the film thickness of No. 7 is not less than 10 ° and not more than 1000 °. If the film thickness is too small, it becomes superparamagnetic due to the influence of thermal energy. On the other hand, if the film thickness is too large, the influence of the end magnetic poles cannot be avoided in the closed magnetic circuit structure of the present invention. In addition, each magnetic layer can be composed of a multilayer film. In this case, the total film thickness may be set to 10 ° or more and 1000 ° or less.

【0034】また、前記絶縁層13、17は3Å以上3
0Å以下であることが望ましい。絶縁層13、17の膜
厚が3Å以下である場合、強磁性層12と強磁性層14
が電気的にショートする可能性があり、絶縁層13の膜
厚が30Å以上である場合、電子のトンネルが起きにく
く、磁気抵抗比が小さくなってしまうからである。
The insulating layers 13 and 17 have a thickness of 3 ° or more and 3 ° or more.
Desirably, it is 0 ° or less. When the thickness of the insulating layers 13 and 17 is 3 ° or less, the ferromagnetic layers 12 and 14
Is likely to cause an electrical short circuit, and if the thickness of the insulating layer 13 is 30 ° or more, electron tunneling hardly occurs and the magnetoresistance ratio decreases.

【0035】また、図1において金属層15、15′は
別個に分離されて設けられているが、連続した単一の金
属層で形成しても本発明の目的を達成できることは明ら
かである。
Although the metal layers 15 and 15 'are separately provided in FIG. 1, it is apparent that the object of the present invention can be achieved by forming a continuous single metal layer.

【0036】さらに、強磁性層12または強磁性層18
を2つの強磁性層で構成することにより、端部に実効的
に磁極が生じないようにすることができる。また、3層
以上であっても、構成する強磁性層の膜厚を調整するこ
とで端部に実効的に磁極が生じないようにすることも可
能である。
Further, the ferromagnetic layer 12 or the ferromagnetic layer 18
Is composed of two ferromagnetic layers, thereby effectively preventing a magnetic pole from being generated at the end. Even if there are three or more layers, it is also possible to prevent a magnetic pole from effectively occurring at the end by adjusting the film thickness of the ferromagnetic layer to be constituted.

【0037】次に、実施例1のMTJ素子1をランダム
アクセス可能な磁気メモリ3に用いた場合の概略図を図
2に示す。
Next, FIG. 2 is a schematic diagram showing a case where the MTJ element 1 of the first embodiment is used for a magnetic memory 3 which can be accessed at random.

【0038】図2において、トランジスタ31は読み出
し時にMTJ素子1を選択する役割を有している。
“0”、“1”の情報は図1に示すMTJ素子1の強磁
性層14及び強磁性層(閉磁路層)16の磁化方向によ
って記録されており、強磁性層12及び強磁性層18の
磁化方向は固定されている。強磁性層12と強磁性層1
4の磁化が平行及び強磁性層18と強磁性層(閉磁路
層)16の磁化が平行の時は抵抗値が低く、反平行の時
は抵抗値が高くなる磁気抵抗効果を利用して情報を読み
出す。一方、書込みは、ビット線32とワード線33が
形成する合成磁界によって強磁性層14及び強磁性層
(閉磁路層)16の磁化の向きを反転することで実現さ
れる。
In FIG. 2, a transistor 31 has a role of selecting the MTJ element 1 at the time of reading.
The information of “0” and “1” is recorded by the magnetization directions of the ferromagnetic layer 14 and the ferromagnetic layer (closed magnetic path layer) 16 of the MTJ element 1 shown in FIG. Has a fixed magnetization direction. Ferromagnetic layer 12 and ferromagnetic layer 1
When the magnetization of the ferromagnetic layer 4 is parallel and the magnetizations of the ferromagnetic layer 18 and the ferromagnetic layer (closed magnetic path layer) 16 are parallel, the resistance is low, and when the magnetization is antiparallel, the resistance is high. Is read. On the other hand, writing is realized by reversing the magnetization directions of the ferromagnetic layer 14 and the ferromagnetic layer (closed magnetic path layer) 16 by a combined magnetic field formed by the bit line 32 and the word line 33.

【0039】なお、34はプレートラインである。Reference numeral 34 denotes a plate line.

【0040】図3にビット線32とワード線33の配置
の例を示す。
FIG. 3 shows an example of the arrangement of the bit lines 32 and the word lines 33.

【0041】図3において、強磁性層14と強磁性層
(閉磁路層)16の中央離間部内にビット線32とワー
ド線33を貫通させることにより、強磁性層14及び強
磁性層(閉磁路層)16の磁化の向きを反転するのに要
する電流値が小さくなり、磁気メモリの消費電力を低減
することができる。
In FIG. 3, the bit line 32 and the word line 33 are pierced in the centrally separated portion of the ferromagnetic layer 14 and the ferromagnetic layer (closed magnetic path layer) 16 so that the ferromagnetic layer 14 and the ferromagnetic layer (closed magnetic path layer) are formed. The current value required for reversing the magnetization direction of the layer (16) is reduced, and the power consumption of the magnetic memory can be reduced.

【0042】また、ビット線32とワード線33はとも
に強磁性層14及び強磁性層(閉磁路層)16から電気
的に絶縁されている。
The bit line 32 and the word line 33 are both electrically insulated from the ferromagnetic layer 14 and the ferromagnetic layer (closed magnetic circuit layer) 16.

【0043】なお、ビット線及びワード線の配置として
は、図3に制限されることはなく、ビット線とワード線
を同一平面上に設けることも可能である。或いはまた、
両方もしくはどちらか一方の配線をMTJ素子の外部近
傍に設けることも可能であり、それによりプロセスが簡
単になる。
The arrangement of the bit lines and the word lines is not limited to that shown in FIG. 3, and the bit lines and the word lines can be provided on the same plane. Alternatively,
It is also possible to provide both or either wiring near the outside of the MTJ element, thereby simplifying the process.

【0044】[実施例2]図4に実施例2のMTJ素子
の構成を示す。
[Embodiment 2] FIG. 4 shows a configuration of an MTJ element of Embodiment 2.

【0045】図4において、MTJ素子2は、反強磁性
層21、強磁性層22、絶縁層23、強磁性層24、金
属層25、25′、強磁性層(閉磁路層)26、絶縁層
27、強磁性層28、反強磁性層29からなる。強磁性
層24と閉磁路層26は両端部で金属層25、25′を
介して接合し、中央部では離間している。
In FIG. 4, the MTJ element 2 includes an antiferromagnetic layer 21, a ferromagnetic layer 22, an insulating layer 23, a ferromagnetic layer 24, metal layers 25 and 25 ', a ferromagnetic layer (closed magnetic circuit layer) 26, It comprises a layer 27, a ferromagnetic layer 28 and an antiferromagnetic layer 29. The ferromagnetic layer 24 and the closed magnetic circuit layer 26 are joined at both ends via metal layers 25 and 25 ', and are separated at the center.

【0046】ここで、金属層25、25′の膜厚を、強
磁性層24と強磁性層(閉磁路層)26が反強磁性結合
する膜厚に設定することにより、強磁性層24と強磁性
層(閉磁路層)26の磁化の向きが反対になり、強磁性
層24と強磁性層(閉磁路層)26の磁化は閉ループを
構成することから、強磁性層24の端部に磁極が発生す
るのを回避することができる。
Here, by setting the film thickness of the metal layers 25 and 25 ′ to a film thickness at which the ferromagnetic layer 24 and the ferromagnetic layer (closed magnetic circuit layer) 26 are antiferromagnetically coupled, the ferromagnetic layer 24 and the ferromagnetic layer 24 are closed. The magnetization directions of the ferromagnetic layer (closed magnetic path layer) 26 are reversed, and the magnetizations of the ferromagnetic layer 24 and the ferromagnetic layer (closed magnetic path layer) 26 form a closed loop. The occurrence of magnetic poles can be avoided.

【0047】実施例2のMTJ素子2は実施例1のMT
J素子1と異なり、強磁性層22が、金属層22bを介
して反強磁性結合する2つ強磁性層22aと強磁性層2
2cとからなり、強磁性層22cは反強磁性層21と交
換結合している。また、実施例1同様に、反強磁性層2
9と強磁性層28は交換結合している。
The MTJ element 2 of the second embodiment is the same as the MTJ element of the first embodiment.
Unlike the J element 1, the ferromagnetic layer 22 is composed of two ferromagnetic layers 22a and 2a antiferromagnetically coupled via a metal layer 22b.
2c, and the ferromagnetic layer 22c is exchange-coupled to the antiferromagnetic layer 21. Further, similarly to the first embodiment, the antiferromagnetic layer 2
9 and the ferromagnetic layer 28 are exchange-coupled.

【0048】つまり、強磁性層28は固定層で反強磁性
層29との交換結合で磁化が固定され、強磁性層22c
は反強磁性層21との交換結合で磁化が固定され、更に
強磁性層22aは金属層22bを介して反強磁性結合し
ていることから、強磁性層22cとは逆方向に磁化が固
定されている。
That is, the magnetization of the ferromagnetic layer 28 is fixed by exchange coupling with the antiferromagnetic layer 29 and the ferromagnetic layer 22 c
Is fixed by exchange coupling with the antiferromagnetic layer 21, and the ferromagnetic layer 22a is antiferromagnetically coupled via the metal layer 22b, so that the magnetization is fixed in the opposite direction to the ferromagnetic layer 22c. Have been.

【0049】MTJ素子2は、強磁性層24と強磁性層
(閉磁路層)26が作る閉ループの磁化方向で記憶を保
持し、強磁性層24と強磁性層(閉磁路層)26が作る
閉ループの磁化方向と強磁性層22a、28との磁化方
向が平行もしくは反平行となることによる抵抗変化で記
憶状態を読み出す。
The MTJ element 2 retains the memory in the magnetization direction of the closed loop formed by the ferromagnetic layer 24 and the ferromagnetic layer (closed magnetic path layer) 26, and is formed by the ferromagnetic layer 24 and the ferromagnetic layer (closed magnetic path layer) 26 The memory state is read by a resistance change caused by the magnetization direction of the closed loop and the magnetization direction of the ferromagnetic layers 22a and 28 being parallel or antiparallel.

【0050】このように、強磁性層24と強磁性層(閉
磁路層)26が作る閉ループの磁化方向と強磁性層22
a、28との磁化方向が平行もしくは反平行となること
による抵抗変化で記憶状態を読み出すためには、強磁性
層22cの磁化方向は強磁性層28と同じ方向に固定さ
れていなければならない。
As described above, the magnetization direction of the closed loop formed by the ferromagnetic layer 24 and the ferromagnetic layer (closed magnetic path layer) 26 and the ferromagnetic layer 22
In order to read the storage state by a resistance change caused by the magnetization directions of a and 28 being parallel or antiparallel, the magnetization direction of the ferromagnetic layer 22c must be fixed in the same direction as the ferromagnetic layer 28.

【0051】従って、本実施例2によれば、一回の処理
或いは同じ磁界方向で強磁性層22cと強磁性層28の
磁化方向を固定することが可能となり、実施例1に比
べ、処理が簡略化できる。
Therefore, according to the second embodiment, it is possible to fix the magnetization directions of the ferromagnetic layers 22c and 28 in a single process or in the same magnetic field direction. Can be simplified.

【0052】本実施例2では、強磁性層22を強磁性層
2層で、強磁性層28を単層で構成したが、固定層とな
る2つの層で強磁性層の層数を1層異なるようにすれば
同じ効果を得ることができる。
In the second embodiment, the ferromagnetic layer 22 is composed of two ferromagnetic layers, and the ferromagnetic layer 28 is composed of a single layer. However, the number of ferromagnetic layers is one with two fixed layers. If they are different, the same effect can be obtained.

【0053】また、本実施例2では、反強磁性層21と
反強磁性層29に同じ反強磁性材料を用いることも可能
となる。
In the second embodiment, the same antiferromagnetic material can be used for the antiferromagnetic layer 21 and the antiferromagnetic layer 29.

【0054】なお、MTJ素子2はMTJ素子1同様に
磁気メモリに用いることができる。
The MTJ element 2 can be used for a magnetic memory like the MTJ element 1.

【0055】上述の実施例においては、MTJ素子部分
のみを示したが、実際の素子形成においては電流供給用
の電極、基板、保護層及び密着層等が必要となることは
明らかである。
In the above-described embodiment, only the MTJ element portion is shown. However, it is apparent that an electrode for current supply, a substrate, a protective layer, an adhesion layer, and the like are necessary in actual element formation.

【0056】[0056]

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、高い抵
抗変化率を持ち、端部磁極の影響を低減できることか
ら、パターンが微細化されても安定した磁化状態を保持
することができる。また、メモリ層となる強磁性層が閉
磁路構造を取ることから、外部漏洩磁界に対して安定と
なる。
As described above, according to the present invention, a high resistance change rate and the influence of the end pole can be reduced, so that a stable magnetized state can be maintained even if the pattern is miniaturized. . Further, since the ferromagnetic layer serving as the memory layer has a closed magnetic circuit structure, the structure is stable against an external leakage magnetic field.

【0057】また、高い抵抗変化率を持ち、端部磁極の
影響を低減できることから、パターンが微細化されても
安定した磁化状態を保持することが可能となり、より高
い集積度の磁気メモリを実現することができる。さら
に、磁気メモリの消費電力を低減することができる。
Also, since it has a high rate of change in resistance and can reduce the influence of the end magnetic poles, it is possible to maintain a stable magnetized state even if the pattern is miniaturized, realizing a magnetic memory with a higher degree of integration. can do. Further, power consumption of the magnetic memory can be reduced.

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

【図1】本発明の構成例を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of the present invention.

【図2】本発明のMTJ素子を用いた磁気メモリの構成
例を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of a magnetic memory using the MTJ element of the present invention.

【図3】本発明のMTJ素子を用いた磁気メモリのワー
ド線とビット線の配置例を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing an example of the arrangement of word lines and bit lines of a magnetic memory using the MTJ element of the present invention.

【図4】本発明の他の構成例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing another configuration example of the present invention.

【図5】従来のMTJ素子の構成例を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a configuration example of a conventional MTJ element.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1、2:MTJ素子 3:磁気メモリ 11、19、21、29:反強磁性層 12、14、18、22、22a、22c、24、2
8、51、53、55:強磁性層 13、17、23、27、52、54:絶縁層 15、15´、25、25´、22b:金属層 16、26:強磁性層(閉磁路層) 31:トランジスタ 32:ビット線 33:ワード線 34:プレートライン
1, 2: MTJ element 3: magnetic memory 11, 19, 21, 29: antiferromagnetic layer 12, 14, 18, 22, 22a, 22c, 24, 2
8, 51, 53, 55: Ferromagnetic layer 13, 17, 23, 27, 52, 54: Insulating layer 15, 15 ', 25, 25', 22b: Metal layer 16, 26: Ferromagnetic layer (closed magnetic circuit layer) 31: Transistor 32: Bit line 33: Word line 34: Plate line

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 南方 量二 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 Fターム(参考) 2G017 AA01 AD51 AD69 CB26 5D034 BA03 BA15 BA18 5E049 AA04 BA12 CB02 DB02 DB12 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continued on the front page (72) Inventor Kazuji Minami 22-22, Nagaikecho, Abeno-ku, Osaka-shi, Osaka F-term (reference) 2G017 AA01 AD51 AD69 CB26 5D034 BA03 BA15 BA18 5E049 AA04 BA12 CB02 DB02 DB12

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 少なくとも第1磁性層、第1絶縁層、第
2磁性層、第2絶縁層、第3磁性層を積層する磁気トン
ネル接合素子であって、 前記第2磁性層の前記第1絶縁層積層側または前記第2
絶縁層積層側のいずれかに、金属層を介するとともに中
央部を離間して第4磁性層を設け、前記第2磁性層及び
第4磁性層により閉磁路を構成したことを特徴とする磁
気トンネル接合素子。
1. A magnetic tunnel junction device comprising a stack of at least a first magnetic layer, a first insulating layer, a second magnetic layer, a second insulating layer, and a third magnetic layer, wherein: The insulating layer lamination side or the second
A magnetic tunnel, characterized in that a fourth magnetic layer is provided on one of the insulating layer lamination sides with a metal layer interposed therebetween and a central portion separated from the fourth magnetic layer, and a closed magnetic circuit is formed by the second magnetic layer and the fourth magnetic layer. Junction element.
【請求項2】 前記第1磁性層に交換結合する第1反強
磁性層を積層し、前記第3磁性層に交換結合する第2反
強磁性層を積層したことを特徴とする請求項1記載の磁
気トンネル接合素子。
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein a first antiferromagnetic layer exchange-coupled to said first magnetic layer is laminated, and a second antiferromagnetic layer exchange-coupled to said third magnetic layer is laminated. The magnetic tunnel junction device as described in the above.
【請求項3】 前記第1反強磁性層と前記第1磁性層の
交換結合の消失する温度と、前記第2反強磁性層と前記
第3磁性層の交換結合の消失する温度が異なることを特
徴とする請求項2記載の磁気トンネル接合素子。
3. A temperature at which exchange coupling between the first antiferromagnetic layer and the first magnetic layer disappears and a temperature at which exchange coupling between the second antiferromagnetic layer and the third magnetic layer disappears. The magnetic tunnel junction device according to claim 2, wherein:
【請求項4】 少なくとも前記第1磁性層または第2磁
性層のいずれかを、金属層を介して反強磁性結合する2
つ以上の強磁性層で構成したことを特徴とする請求項1
または2記載の磁気トンネル接合素子。
4. An anti-ferromagnetic coupling between at least one of the first magnetic layer and the second magnetic layer via a metal layer.
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein said ferromagnetic layer comprises at least one ferromagnetic layer.
Or the magnetic tunnel junction device according to 2.
【請求項5】 前記2磁性層と第4磁性層の離間部に少
なくとも1つのリード線を設けたことを特徴とする請求
項1乃至4記載の磁気トンネル接合素子。
5. The magnetic tunnel junction device according to claim 1, wherein at least one lead wire is provided at a space between the second magnetic layer and the fourth magnetic layer.
【請求項6】 少なくとも第1磁性層、第1絶縁層、第
2磁性層、第2絶縁層、第3磁性層を積層し、前記第2
磁性層の前記第1絶縁層積層側または前記第2絶縁層積
層側のいずれかに、金属層を介するとともに中央部を離
間して第4磁性層を設け、前記第2磁性層及び第4磁性
層により閉磁路を構成した磁気トンネル接合素子を用い
たことを特徴とする磁気メモリ。
6. A method according to claim 6, wherein at least a first magnetic layer, a first insulating layer, a second magnetic layer, a second insulating layer, and a third magnetic layer are laminated.
A fourth magnetic layer is provided on either the first insulating layer lamination side or the second insulating layer laminating side of the magnetic layer with a metal layer interposed therebetween and a central portion separated therefrom, wherein the second magnetic layer and the fourth magnetic layer A magnetic memory using a magnetic tunnel junction element in which a layer forms a closed magnetic circuit.
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