JP2001267522A - Magnetic memory element and magnetic memory - Google Patents

Magnetic memory element and magnetic memory

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JP2001267522A
JP2001267522A JP2000081239A JP2000081239A JP2001267522A JP 2001267522 A JP2001267522 A JP 2001267522A JP 2000081239 A JP2000081239 A JP 2000081239A JP 2000081239 A JP2000081239 A JP 2000081239A JP 2001267522 A JP2001267522 A JP 2001267522A
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layer
magnetic
ferromagnetic
magnetic memory
ferromagnetic layer
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JP2000081239A
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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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    • 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
    • H01F10/3268Exchange 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
    • H01F10/3272Exchange 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 by use of anti-parallel coupled [APC] ferromagnetic layers, e.g. artificial ferrimagnets [AFI], artificial [AAF] or synthetic [SAF] anti-ferromagnets

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To eliminate the problem where since a laminated film which consists of two ferromagnetic layers coupled antiferromagnetically via a metal layer is used for a free layer (memory layer) in the conventional magnetic memory element, the memory layer is difficult to manufacture and the influence by the end magnetization cannot be reduced sufficiently and smooth inversion of magnetization of the memory layer is difficult to achieve and the power consumption of a magnetic memory cannot be reduced. SOLUTION: On the ferromagnetic layer 14 which is to become the memory layer of the magnetic memory element, the ferromagnetic layer 16 is formed via at least one conductor layer.

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】本発明は磁気抵抗効果を用い
た磁気メモリ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 memory element using a magnetoresistance effect and a magnetic memory using the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】これまでに、異方性磁気抵抗効果(AM
R)素子や巨大磁気抵抗効果(GMR)素子、磁気トン
ネル接合(MTJ)素子のHDD用再生ヘッドや磁気メ
モリへの応用が考えられている。 磁気メモリにおいて
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 Anisotropic magnetoresistance effect (AM)
Applications of R) elements, giant magnetoresistive (GMR) elements, and magnetic tunnel junction (MTJ) elements to HDD read heads and magnetic memories are being considered. A magnetic memory is a solid-state memory that has no moving parts like a semiconductor memory, but does not lose information even when the power is turned off, has an infinite number of repetitions, and loses the recorded contents even if radiation is incident It is more useful than a semiconductor memory because it has no properties.

【0003】特にMTJ素子は大きな抵抗変化率を持つ
ことから、メモリセルへの使用が期待されている。従来
のMTJ素子の構成を図9に示す。なお、このような構
造はたとえば特開平9―106514号公報に示されて
いる。図9のMTJ素子は、反強磁性層61、強磁性層
62、絶縁層63、強磁性層64を積層したものであ
る。ここで、反強磁性層61としてはFeMn、NiM
n、PtMn、IrMn等の合金が用いられ、強磁性層
62及び強磁性層64としてはFe、Co、Ni或はこ
れらの合金が用いられる。また、絶縁層63としては各
種の酸化物や窒化物が検討されているが、Al23膜の
場合に最も高い磁気抵抗(MR)比が得られることが知
られている。
In particular, the MTJ element has a large rate of change in resistance, and is therefore expected to be used for a memory cell. FIG. 9 shows a configuration of a conventional MTJ element. Such a structure is disclosed, for example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-106514. The MTJ element in FIG. 9 has an antiferromagnetic layer 61, a ferromagnetic layer 62, an insulating layer 63, and a ferromagnetic layer 64 stacked. Here, as the antiferromagnetic layer 61, FeMn, NiM
Alloys such as n, PtMn, and IrMn are used, and the ferromagnetic layers 62 and 64 are made of Fe, Co, Ni, or an alloy thereof. Various oxides and nitrides have been studied for the insulating layer 63, but it is known that the highest magnetoresistance (MR) ratio can be obtained with an Al 2 O 3 film.

【0004】また、この他に、反強磁性層61を除いた
構成で、強磁性層62と強磁性層64の保磁力差を利用
したMTJ素子の提案もなされている。
[0004] In addition, there has been proposed an MTJ element using a difference in coercive force between the ferromagnetic layer 62 and the ferromagnetic layer 64 without the antiferromagnetic layer 61.

【0005】図9の構造のMTJ素子を磁気メモリに使
用する場合の動作原理を図10に示す。強磁性層62及
び強磁性層64の磁化は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
している。そして、強磁性層62の磁化は反強磁性層6
1との交換結合により実質的に一方向に固定され、強磁
性層64の磁化の方向で記録を保持する。
FIG. 10 shows the operation principle when the MTJ element having the structure shown in FIG. 9 is used for a magnetic memory. The magnetizations of the ferromagnetic layer 62 and the ferromagnetic layer 64 are both in the plane of the film and have an effective uniaxial magnetic anisotropy such that they are parallel or antiparallel. The magnetization of the ferromagnetic layer 62 is
1 is substantially fixed in one direction by exchange coupling, and holds recording in the direction of magnetization of the ferromagnetic layer 64.

【0006】このメモリ層となる強磁性層64の磁化が
平行もしくは反平行でMTJ素子の抵抗が異なることを
検出して読み出しを行い、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64の磁化の
向きを変えることで書き込みを行う。
The ferromagnetic layer 64 serving as a memory layer detects whether the magnetization of the ferromagnetic layer 64 is parallel or anti-parallel and the resistance of the MTJ element is different, performs reading, and utilizes a magnetic field generated by a current line arranged near the MTJ element. Then, writing is performed by changing the direction of magnetization of the ferromagnetic layer 64.

【0007】ところで、上記構造のMTJ素子では強磁
性層62及び強磁性層64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。その結果このようなM
TJ素子でメモリアレイを形成するとMTJ素子間に静
磁気相互作用が生じることになる。これは個々のMTJ
素子の特性が隣接するMTJ素子の状態に影響されるこ
とを意味し、MTJ素子の間隔を狭めて記録密度を増大
することを困難にしている。このような問題に対し、特
開平11−161919号公報に、端部磁極の影響を低
減する方法が開示されている。図11にこの構造を示
す。これによれば、反強磁性層61と結合してその磁化
の方向が固定されている強磁性層62(固定層)と外部
磁界に対して自由に回転できる強磁性層64(自由層)
が絶縁層63を介して積層されており、さらに、強磁性
層62及び強磁性層64の両方が、非磁性金属層72、
75を介して反強磁性的に結合する2層の強磁性層7
1、73及び74、76で形成されている。従って、自
由層及び固定層の両方で、端部に発生する磁極を低減す
ることができる。
By the way, in the MTJ element having the above structure, the magnetization of the ferromagnetic layers 62 and 64 is in the in-plane direction, so that magnetic poles are generated at both ends. As a result, such M
When a memory array is formed with TJ elements, magnetostatic interaction occurs between MTJ elements. This is an individual MTJ
This means that the characteristics of the element are affected by the state of the adjacent MTJ element, which makes it difficult to increase the recording density by narrowing the interval between the MTJ elements. To cope with such a problem, Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-161919 discloses a method of reducing the influence of end magnetic poles. FIG. 11 shows this structure. According to this, a ferromagnetic layer 62 (fixed layer) whose magnetization direction is fixed by being coupled to the antiferromagnetic layer 61 and a ferromagnetic layer 64 (free layer) that can freely rotate with respect to an external magnetic field.
Are laminated via an insulating layer 63. Further, both the ferromagnetic layer 62 and the ferromagnetic layer 64 are formed of the nonmagnetic metal layer 72,
Two ferromagnetic layers 7 antiferromagnetically coupled via 75
1, 73 and 74, 76. Therefore, it is possible to reduce the number of magnetic poles generated at the ends in both the free layer and the fixed layer.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】ところで、特開平11
−161919号公報における反強磁性層に隣接しない
強磁性層(自由層)はNiFe/Ru/NiFeで構成
されており、外部磁界の印加により自由に回転する。実
施例ではRuの膜厚は二つのNiFe層が最大の反強磁
性結合強度を持つように設定され、かつ、二つのNiF
e層の膜厚がわずかに異なるように設定されている。磁
界が印加された場合の自由層の動作は、二つのNiFe
層の膜厚差によって生じる正味の磁化が回転することに
より行われる。
However, Japanese Patent Application Laid-Open No.
The ferromagnetic layer (free layer) not adjacent to the antiferromagnetic layer in JP-A-161919 is made of NiFe / Ru / NiFe, and rotates freely by application of an external magnetic field. In the embodiment, the Ru film thickness is set so that the two NiFe layers have the maximum antiferromagnetic coupling strength, and the two NiF layers have the same thickness.
The thickness of the e-layer is set to be slightly different. The operation of the free layer when a magnetic field is applied is represented by two NiFe
This is achieved by the rotation of the net magnetization caused by the layer thickness difference.

【0009】ところが、二つのNiFe層が最大の反強
磁性結合強度を持つRuの膜厚は4Å乃至8Åと非常に
薄く、ピンホールが生じた場合には逆に強磁性結合が発
生することから、反強磁性結合強度を安定して得ること
は難しい。また、外部磁界による磁化反転が生じるため
には、二つのNiFe層の膜厚が異なる必要があるが、
これにより外部から見た場合の正味の磁化をゼロにする
ことができず、当初の目的が達成できない。さらに、磁
気メモリ素子として用いる場合には、磁化反転を生じる
ために必要な磁界を、隣接する導体線を流れる電流によ
り発生させるが、消費電力を低減させるための構成につ
いてはなにも記述されていない。
However, the film thickness of Ru, in which the two NiFe layers have the maximum antiferromagnetic coupling strength, is extremely thin, 4 ° to 8 °, and when pinholes occur, conversely, ferromagnetic coupling occurs. It is difficult to stably obtain the antiferromagnetic coupling strength. In addition, in order for magnetization reversal to occur due to an external magnetic field, the two NiFe layers need to have different thicknesses.
As a result, the net magnetization as viewed from the outside cannot be reduced to zero, and the original purpose cannot be achieved. Furthermore, when used as a magnetic memory element, a magnetic field required to cause magnetization reversal is generated by a current flowing through an adjacent conductor line, but nothing is described about a configuration for reducing power consumption. Absent.

【0010】さらに、先行例では磁気ヘッドに用いた場
合に印加磁界と自由層の困難軸方向が直交する配置で使
用されているが、磁気メモリ素子に使用する場合は、通
常磁気メモリ素子上で交差する二本の導体線により発生
する磁界によって自由層の磁化を回転させるため、印加
磁界は自由層の困難軸方向に対し斜めに傾いた方向にな
る。そのため、先行例に記載されているような単純な磁
化回転による磁化反転が生じるとは考えにくく、この構
成の素子を磁気メモリ素子として用いることは難しい。
Further, in the prior art, when used in a magnetic head, the applied magnetic field and the hard layer direction of the free layer are used in an arrangement orthogonal to each other, but when used in a magnetic memory device, it is usually used on a magnetic memory device. Since the magnetization of the free layer is rotated by the magnetic field generated by the two intersecting conductor lines, the applied magnetic field is inclined obliquely to the hard axis direction of the free layer. Therefore, it is unlikely that magnetization reversal due to simple magnetization rotation occurs as described in the prior art, and it is difficult to use an element having this configuration as a magnetic memory element.

【0011】そこで、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
状態が安定に存在し、消費電力が小さい磁気メモリ素子
及び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 memory element and a magnetic memory in which a magnetization state recorded in a memory layer exists stably even when a pattern is miniaturized and power consumption is small. With the goal.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するためになされたものであって、第1発明は、少なく
とも第1磁性層、非磁性層、第2磁性層を積層した磁気
メモリ素子の、前記第1又は第2磁性層の前記非磁性層
積層側と異なる側に少なくとも一つの導体層を介して第
3磁性層を設けたことを特徴とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to achieve the above object, and a first invention is a magnetic memory having at least a first magnetic layer, a non-magnetic layer, and a second magnetic layer laminated. The device is characterized in that a third magnetic layer is provided on at least one side of the first or second magnetic layer different from the non-magnetic layer lamination side via at least one conductor layer.

【0013】第2発明は、第1発明において、第3磁性
層の磁化の大きさが、前記導体層に接する前記第1又は
第2磁性層の磁化の大きさと略等しいことを特徴とす
る。
According to a second aspect, in the first aspect, the magnitude of the magnetization of the third magnetic layer is substantially equal to the magnitude of the magnetization of the first or second magnetic layer in contact with the conductor layer.

【0014】第3発明は、第1発明において、前記第3
磁性層の保磁力が、前記導体層に接する前記第1又は第
2磁性層の保磁力より小さいことを特徴とする。
According to a third aspect, in the first aspect, the third aspect is provided.
The coercive force of the magnetic layer is smaller than the coercive force of the first or second magnetic layer in contact with the conductor layer.

【0015】第4発明は、第1乃至第3発明のいずれか
において、前記導体層と前記第3磁性層の間に第2の導
体層を設けたことを特徴とする。
According to a fourth aspect, in any one of the first to third aspects, a second conductor layer is provided between the conductor layer and the third magnetic layer.

【0016】第5発明は、第1乃至第3発明のいずれか
において、前記第1磁性層又は前記第3磁性層の外側に
第2の導体層を設け、さらに該第2の導体層の前記第1
磁性層又は前記第3磁性層に面しない側に強磁性体層が
接していることを特徴とする。
According to a fifth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, a second conductor layer is provided outside the first magnetic layer or the third magnetic layer. First
The ferromagnetic material layer is in contact with the side not facing the magnetic layer or the third magnetic layer.

【0017】第6発明は、第1乃至第5発明のいずれか
において、前記第1磁性層と前記第2磁性層に挟まれる
前記非磁性層が絶縁体であることを特徴とする。
According to a sixth aspect, in any one of the first to fifth aspects, the nonmagnetic layer sandwiched between the first magnetic layer and the second magnetic layer is an insulator.

【0018】第7発明は、第1乃至第6発明に記載の磁
気メモリ素子を用いた磁気メモリであることを特徴とす
る。
According to a seventh aspect of the invention, there is provided a magnetic memory using the magnetic memory element according to the first to sixth aspects.

【0019】[0019]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図1から図8を用いて説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be described below with reference to FIGS.

【0020】図1は本発明による実施例1の構成例を示
している。図1に示すように、本実施例による磁気メモ
リ素子1はMTJ素子を用いており、反強磁性層11、
強磁性層12(固定層)、絶縁層13、強磁性層14
(自由層)、導体層15、強磁性層16、絶縁層17、
導体層18からなる。本実施例では固定層12を強磁性
層19、金属層20、強磁性層21の積層膜で構成して
おり、金属層20の膜厚は強磁性層19と強磁性層21
が反強磁性結合するように選ばれ、強磁性層19と強磁
性層21はほぼ等しい磁化を持つように選ばれている。
固定層12は単層の強磁性体で構成することもできる
が、このような積層構造にすることで、固定層12の端
部に発生する磁極を実質的にゼロにすることができる。
FIG. 1 shows a configuration example of a first embodiment according to the present invention. As shown in FIG. 1, the magnetic memory element 1 according to the present embodiment uses an MTJ element,
Ferromagnetic layer 12 (fixed layer), insulating layer 13, ferromagnetic layer 14
(Free layer), conductor layer 15, ferromagnetic layer 16, insulating layer 17,
The conductor layer 18 is formed. In this embodiment, the fixed layer 12 is composed of a laminated film of the ferromagnetic layer 19, the metal layer 20, and the ferromagnetic layer 21.
Are selected so as to have antiferromagnetic coupling, and the ferromagnetic layers 19 and 21 are selected so as to have substantially equal magnetizations.
The fixed layer 12 may be formed of a single-layer ferromagnetic material. However, by adopting such a laminated structure, the magnetic pole generated at the end of the fixed layer 12 can be made substantially zero.

【0021】強磁性層12と強磁性層14及び強磁性層
16は紙面に対して平行な方向に一軸異方性を付与され
ており、反強磁性層11と強磁性層19は交換結合して
いる。本実施例の磁気メモリ素子では、固定層12を構
成する強磁性層21と、強磁性層14の磁化が互いに平
行又は反平行で二つの状態がつくられる。また、本実施
例では、導体層15はビット線と抵抗変化を検出するた
めの電極を兼ねており、配線ルールによって決まる間隔
を隔てて隣接する磁気メモリ素子に接続されている。導
体層18はワード線である。ここで図1に示すように導
体層15には紙面に対して垂直に、導体層18には紙面
に対して平行に電流を流す。図2は、そのとき二つの電
流によって強磁性層14と強磁性層16の位置に発生す
る磁界を膜面に垂直方向から見たものである。このよう
に強磁性層14と強磁性層16の位置には、導体層15
による磁界HBと導体層18による磁界HWの合成磁界が
印加される。図2(a)および(b)に図示されるよう
に強磁性層14と強磁性層16の位置では合成磁界の向
きが異なることから、紙面の左右方向に一軸異方性を付
与された強磁性層14、16は互いに異なる向きに磁化
される。従って強磁性層14の磁化が強磁性層16の両
端に生じる磁極のつくる磁界によって安定化される。さ
らに、強磁性層14と強磁性層16の磁化の大きさをほ
ぼ等しくしておくことで、外部に対しては見かけ上磁化
が無くなり、隣接する磁気メモリ素子に影響を及ぼすこ
とがなくなる。さらにまた、強磁性層14と強磁性層1
6には導体層15が直接接していることから、小電流で
も十分な磁界強度が得られ、磁気メモリ素子の低消費電
力化が実現できる。
The ferromagnetic layer 12, ferromagnetic layer 14, and ferromagnetic layer 16 are given uniaxial anisotropy in a direction parallel to the plane of the drawing, and the antiferromagnetic layer 11 and the ferromagnetic layer 19 are exchange-coupled. ing. In the magnetic memory element of the present embodiment, two states are created in which the magnetizations of the ferromagnetic layer 21 and the ferromagnetic layer 14 constituting the fixed layer 12 are parallel or antiparallel to each other. In this embodiment, the conductor layer 15 also serves as a bit line and an electrode for detecting a change in resistance, and is connected to an adjacent magnetic memory element at an interval determined by a wiring rule. The conductor layer 18 is a word line. Here, as shown in FIG. 1, a current flows through the conductor layer 15 perpendicularly to the plane of the paper, and a current flows through the conductor layer 18 parallel to the plane of the paper. FIG. 2 shows a magnetic field generated at the positions of the ferromagnetic layer 14 and the ferromagnetic layer 16 by two currents when viewed from a direction perpendicular to the film surface. Thus, the conductor layer 15 is located at the position of the ferromagnetic layer 14 and the ferromagnetic layer 16.
The combined magnetic field of the magnetic field H W by the magnetic field H B and the conductor layer 18 due to is applied. As shown in FIGS. 2A and 2B, since the directions of the combined magnetic fields are different between the positions of the ferromagnetic layer 14 and the ferromagnetic layer 16, a strong uniaxial anisotropy is given in the horizontal direction of the drawing. The magnetic layers 14 and 16 are magnetized in different directions. Therefore, the magnetization of the ferromagnetic layer 14 is stabilized by the magnetic field generated by the magnetic poles generated at both ends of the ferromagnetic layer 16. Further, by making the magnitudes of the magnetizations of the ferromagnetic layer 14 and the ferromagnetic layer 16 substantially equal, the magnetization is apparently lost to the outside, and the adjacent magnetic memory element is not affected. Furthermore, the ferromagnetic layer 14 and the ferromagnetic layer 1
Since the conductor layer 15 is in direct contact with 6, a sufficient magnetic field strength can be obtained even with a small current, and low power consumption of the magnetic memory element can be realized.

【0022】本実施例の別の形態として、図3に示すよ
うに、反強磁性層11の強磁性層12とは逆側に、絶縁
層27を介して導体層28を設ける構造にすることもで
きる。図4は、そのとき二つの電流によって強磁性層1
4と強磁性層16の位置に発生する磁界を、膜面に垂直
方向から見たものである。図1の配置と同様に、強磁性
層14の磁化は強磁性層16の両端に生じる磁極のつく
る磁界によって安定化される。
As another form of this embodiment, as shown in FIG. 3, a structure in which a conductor layer 28 is provided on an opposite side of the antiferromagnetic layer 11 from the ferromagnetic layer 12 with an insulating layer 27 interposed therebetween. Can also. FIG. 4 shows that the ferromagnetic layer 1
4 shows the magnetic field generated at the position of the ferromagnetic layer 4 and the ferromagnetic layer 16 when viewed from the direction perpendicular to the film surface. As in the arrangement of FIG. 1, the magnetization of the ferromagnetic layer 14 is stabilized by the magnetic field generated by the magnetic poles generated at both ends of the ferromagnetic layer 16.

【0023】反強磁性層11の材料としてはFeMn、
NiMn、PtMn、IrMn等の合金を用いることが
でき、強磁性層12、14、16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、絶縁層13としてはMR比の点からAl23膜が好
ましいが、その他の酸化膜、窒化膜等の絶縁膜でもあっ
ても、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)膜等の絶縁膜であっても構わな
い。
The material of the antiferromagnetic layer 11 is FeMn,
Alloys such as NiMn, PtMn, and IrMn can be used, and the material of the ferromagnetic layers 12, 14, 16 is Fe,
Co, Ni, or an alloy thereof can be used. The insulating layer 13 is preferably an Al 2 O 3 film from the viewpoint of MR ratio, but may be another insulating film such as an oxide film or a nitride film, or may be a Si film, a diamond film, or a diamond-like carbon (DLC). It may be an insulating film such as a film.

【0024】強磁性層12、14、16の膜厚は、10
Å以上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。そのため、磁性層膜厚
は10Å以上であることが望ましい。また、前記絶縁層
13の層厚は3Å以上30Å以下であることが好まし
い。これは、絶縁層13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 thickness of the ferromagnetic layers 12, 14, 16 is 10
It is desirable that it be Å or more. If the film thickness is too thin, it becomes superparamagnetic under the influence of heat energy. Therefore, the thickness of the magnetic layer is desirably 10 ° or more. It is preferable that the thickness of the insulating layer 13 is not less than 3 ° and not more than 30 °. This is because when the thickness of the insulating layer 13 is 3 mm or less,
There is a possibility that the ferromagnetic layer 12 and the ferromagnetic layer 14 are electrically short-circuited. If the thickness of the insulating layer 13 is 30 ° or more, tunneling of electrons hardly occurs and the magnetoresistance ratio becomes small. is there.

【0025】次に、本発明による実施例2の構成例を図
5に示す。
Next, FIG. 5 shows a configuration example of the second embodiment according to the present invention.

【0026】図5に示すように、本実施例による磁気メ
モリ素子は実施例1と同様にMTJ素子を用いており、
反強磁性層11、強磁性層12、絶縁層13、強磁性層
14、導体層15、絶縁層37、導体層38、強磁性層
16からなる。強磁性層12、14、16は紙面に対し
て平行な方向に一軸異方性を付与されている。また、実
施例1と同様に強磁性層12は積層膜であり、反強磁性
層11と強磁性層19は交換結合している。なお、各層
の材料や膜厚は実施例1と同じものを用いることができ
る。
As shown in FIG. 5, the magnetic memory element according to the present embodiment uses an MTJ element as in the first embodiment.
It comprises an antiferromagnetic layer 11, a ferromagnetic layer 12, an insulating layer 13, a ferromagnetic layer 14, a conductor layer 15, an insulating layer 37, a conductor layer 38, and a ferromagnetic layer 16. The ferromagnetic layers 12, 14, 16 have uniaxial anisotropy in a direction parallel to the plane of the drawing. Further, as in the first embodiment, the ferromagnetic layer 12 is a laminated film, and the antiferromagnetic layer 11 and the ferromagnetic layer 19 are exchange-coupled. Note that the materials and thicknesses of the respective layers can be the same as those in the first embodiment.

【0027】本実施例では導体層15には紙面に対して
垂直に電流が流れ、導体層38には紙面に対して平行に
電流が流れる構成とする。図6は、そのときに二つの電
流によって強磁性層14と強磁性層16の位置に発生す
る磁界を、膜面に垂直方向から見たものである。強磁性
層14と強磁性層16には、(a)、(b)に示すよう
に、導体層15及び導体層38に流れる電流がつくる磁
界HBと磁界HWの合成磁界が印加される。この膜構成で
は、合成磁界は強磁性層14と強磁性層16の位置で略
反平行の方向を向くことになる。その結果、記録時に磁
化が反転するまでの過程でのそれぞれの強磁性層に発生
する磁極は、お互いにそれぞれの磁化の反転を促進する
方向に作用する。従って、実施例1に比べてさらに記録
電流を低減することができる。
In this embodiment, a current flows through the conductor layer 15 perpendicular to the plane of the drawing, and a current flows through the conductor layer 38 parallel to the plane of the drawing. FIG. 6 shows the magnetic field generated at the positions of the ferromagnetic layer 14 and the ferromagnetic layer 16 by the two currents when viewed from a direction perpendicular to the film surface. The ferromagnetic layer 14 and ferromagnetic layer 16, (a), (b), the combined magnetic field of the magnetic field H B and the magnetic field H W created by the current flowing through the conductor layer 15 and the conductor layer 38 is applied . In this film configuration, the combined magnetic field is directed substantially antiparallel at the positions of the ferromagnetic layers 14 and 16. As a result, the magnetic poles generated in the respective ferromagnetic layers in the process until the magnetization is reversed at the time of recording act in directions that promote the respective magnetization reversals. Therefore, the recording current can be further reduced as compared with the first embodiment.

【0028】次に、本発明による実施例3の構成例を図
7示す。
Next, FIG. 7 shows a configuration example of the third embodiment according to the present invention.

【0029】図7に示すように、本実施例による磁気メ
モリ素子は実施例1と同様にMTJ素子を用いており、
反強磁性層11、強磁性層12、絶縁層13、強磁性層
14、導体層15、強磁性層16、絶縁層47、導体層
48、強磁性層49からなる。強磁性層12、14、1
6は紙面に対して平行な方向に一軸異方性を付与されて
いる。また、実施例1と同様に強磁性層12は積層膜で
あり、反強磁性層11と強磁性層19は交換結合してい
る。なお、各層の材料や膜厚は実施例1と同じものを用
いることができる。
As shown in FIG. 7, the magnetic memory element according to the present embodiment uses an MTJ element as in the first embodiment.
It comprises an antiferromagnetic layer 11, a ferromagnetic layer 12, an insulating layer 13, a ferromagnetic layer 14, a conductor layer 15, a ferromagnetic layer 16, an insulating layer 47, a conductor layer 48, and a ferromagnetic layer 49. Ferromagnetic layers 12, 14, 1
No. 6 has uniaxial anisotropy in a direction parallel to the paper surface. Further, as in the first embodiment, the ferromagnetic layer 12 is a laminated film, and the antiferromagnetic layer 11 and the ferromagnetic layer 19 are exchange-coupled. Note that the materials and thicknesses of the respective layers can be the same as those in the first embodiment.

【0030】本実施例では導体層15には紙面に対して
垂直に電流が流れ、導体層48には紙面に対して並行に
電流が流れる構成とする。強磁性層14と強磁性層16
へ印加される磁界の向きは実施例1の図4と同じであ
る。本実施例では導体層48の反強磁性層11と向い合
わない側には高い透磁率を有する強磁性層49が接して
いる。記録時には電流が導体層48に流れて磁界を発生
するが、強磁性層49が高い透磁率を有するために、導
体層48の強磁性層49側の磁界は強磁性層49に集中
する。その結果、導体層48の強磁性層49の逆側の磁
界は大きくなり、同じ電流を流しても、強磁性層49が
ない場合に比べて記録層となる強磁性層14及び強磁性
層16の位置での磁界強度は増加する。従って、強磁性
層49がない場合に比べて磁気メモリの消費電力を低減
することができる。強磁性層49にはNiFe合金、C
oZrNb系非晶質合金、FeAlSi系合金などの高
透磁率合金を用いることができる。本実施例で素子の下
側に電流線を配置した場合について示したが、素子の上
側に電流線を配置した場合も同様の効果を得ることが可
能である。
In this embodiment, a current flows through the conductor layer 15 in a direction perpendicular to the plane of the drawing, and a current flows through the conductor layer 48 in a direction parallel to the plane of the drawing. Ferromagnetic layer 14 and ferromagnetic layer 16
The direction of the magnetic field applied to is the same as in FIG. 4 of the first embodiment. In this embodiment, a ferromagnetic layer 49 having a high magnetic permeability is in contact with a side of the conductor layer 48 that does not face the antiferromagnetic layer 11. During recording, a current flows through the conductor layer 48 to generate a magnetic field. However, since the ferromagnetic layer 49 has a high magnetic permeability, the magnetic field on the ferromagnetic layer 49 side of the conductor layer 48 concentrates on the ferromagnetic layer 49. As a result, the magnetic field on the opposite side of the ferromagnetic layer 49 of the conductor layer 48 becomes large, and even if the same current flows, the ferromagnetic layers 14 and 16 serving as the recording layers are compared with the case where the ferromagnetic layer 49 is not provided. The magnetic field strength at the position is increased. Therefore, the power consumption of the magnetic memory can be reduced as compared with the case where the ferromagnetic layer 49 is not provided. The ferromagnetic layer 49 has a NiFe alloy, C
A high magnetic permeability alloy such as an oZrNb-based amorphous alloy or a FeAlSi-based alloy can be used. In this embodiment, the case where the current line is arranged below the element is shown. However, the same effect can be obtained when the current line is arranged above the element.

【0031】次に、本実施例の磁気メモリ素子1をラン
ダムアクセス可能な磁気メモリに用いた場合の概略図を
図8に示す。
Next, FIG. 8 shows a schematic diagram when the magnetic memory element 1 of this embodiment is used for a magnetic memory which can be accessed randomly.

【0032】トランジスタ51は読み出し時に磁気メモ
リ素子1を選択する役割を有している。“0”、“1”
の情報は図1に示す磁気メモリ素子1の強磁性層14の
磁化方向によって記録されており、強磁性層12の磁化
方向は固定されている。そして、強磁性層12と強磁性
層14の磁化が平行の時は抵抗値が低く、反平行の時は
抵抗値が高くなるという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52とワード線5
3が形成する合成磁界によって強磁性層14及び強磁性
層16の磁化の向きを反転することで実現される。な
お、54はプレートラインである。
The transistor 51 has a role of selecting the magnetic memory element 1 at the time of reading. “0”, “1”
Is recorded by the magnetization direction of the ferromagnetic layer 14 of the magnetic memory element 1 shown in FIG. 1, and the magnetization direction of the ferromagnetic layer 12 is fixed. Information is read using the magnetoresistance effect that the resistance value is low when the magnetizations of the ferromagnetic layers 12 and 14 are parallel and high when the magnetizations are antiparallel. On the other hand, writing is performed on the bit line 52 and the word line 5.
This is realized by reversing the magnetization directions of the ferromagnetic layer 14 and the ferromagnetic layer 16 by the synthetic magnetic field formed by the ferromagnetic layer 3. In addition, 54 is a plate line.

【0033】上述の実施例では、強磁性層12の磁化は
反強磁性層11との交換結合により固定されているが、
固定層12として保持力の大きい強磁性材料を使用する
等のその他の手段をとることも可能である。また、強磁
性層12を例えば補償点近傍組成の希土類−遷移金属合
金膜のようなフェリ磁性材料で構成しても端部の磁極の
影響を低減することができる。
In the above embodiment, the magnetization of the ferromagnetic layer 12 is fixed by exchange coupling with the antiferromagnetic layer 11,
Other means such as using a ferromagnetic material having a large coercive force as the fixed layer 12 can be used. Further, even if the ferromagnetic layer 12 is made of a ferrimagnetic material such as a rare earth-transition metal alloy film having a composition near the compensation point, the influence of the magnetic pole at the end can be reduced.

【0034】また、上記とは逆の順序に各層を積層する
ことも可能である。
It is also possible to stack the layers in the reverse order.

【0035】さらにまた、本発明による実施例におい
て、強磁性層16の保磁力を強磁性層14の保磁力より
も小さく設定しておくことで、記録時に強磁性層16の
磁化を先に反転させることができる。これにより、強磁
性層16の両端に発生する磁極は強磁性層14の磁化方
向の反転を促進する方向の磁界を発生し、さらに記録に
必要な電流を低減することができる。
Further, in the embodiment according to the present invention, by setting the coercive force of the ferromagnetic layer 16 smaller than the coercive force of the ferromagnetic layer 14, the magnetization of the ferromagnetic layer 16 is first reversed during recording. Can be done. As a result, the magnetic poles generated at both ends of the ferromagnetic layer 16 generate a magnetic field in a direction that promotes the reversal of the magnetization direction of the ferromagnetic layer 14, and the current required for recording can be further reduced.

【0036】また、上述の実施例では、磁気メモリ素子
部分のみを示したが、実際の素子形成においては電流流
出側の電極、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。
Although only the magnetic memory element portion is shown in the above-described embodiment, it is apparent that an electrode, a substrate, a protective layer, an adhesion layer, and the like on the current outflow side are required in actual element formation. .

【0037】さらに、上述の実施例ではMTJ素子を例
に説明したが、メモリ素子部分である反強磁性層11、
強磁性層12、非磁性層13、強磁性層14の積層部分
と、導体層を絶縁すればGMR素子を用いることも可能
である。
Further, in the above embodiment, the MTJ element has been described as an example, but the antiferromagnetic layer 11 which is a memory element portion,
A GMR element can also be used if the conductor layer is insulated from the laminated portion of the ferromagnetic layer 12, the nonmagnetic layer 13, and the ferromagnetic layer 14.

【0038】[0038]

【発明の効果】以上のように本発明の磁気メモリ素子
は、記録層の磁化を安定化することができ、かつ、隣接
する磁気メモリ素子同士の影響も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。従って、より高い集積度の磁気メモリを
実現することができる。また、本発明の磁気メモリ素子
は導体層がメモリ層に隣接していること、導体層が発生
する磁界を集中することにより磁気メモリの消費電力を
低減することができる。
As described above, the magnetic memory element of the present invention can stabilize the magnetization of the recording layer and reduce the influence between adjacent magnetic memory elements.
Even if the pattern is miniaturized, a stable magnetization state can be maintained. Therefore, a magnetic memory with a higher degree of integration can be realized. Further, in the magnetic memory element of the present invention, the power consumption of the magnetic memory can be reduced by the fact that the conductor layer is adjacent to the memory layer and the magnetic field generated by the conductor layer is concentrated.

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

【図1】本発明による磁気メモリ素子の構成例を示す図
である。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a magnetic memory element according to the present invention.

【図2】図1の膜構成で発生する磁界を図示したもので
ある。
FIG. 2 illustrates a magnetic field generated by the film configuration of FIG.

【図3】本発明による磁気メモリ素子の構成例を示す図
である。
FIG. 3 is a diagram showing a configuration example of a magnetic memory element according to the present invention.

【図4】図3の膜構成で発生する磁界を図示したもので
ある。
FIG. 4 illustrates a magnetic field generated by the film configuration of FIG. 3;

【図5】本発明による磁気メモリ素子の構成例を示す図
である。
FIG. 5 is a diagram showing a configuration example of a magnetic memory element according to the present invention.

【図6】図5の膜構成で発生する磁界を図示したもので
ある。
FIG. 6 illustrates a magnetic field generated by the film configuration of FIG.

【図7】本発明による磁気メモリ素子の構成例を示す図
である。
FIG. 7 is a diagram showing a configuration example of a magnetic memory element according to the present invention.

【図8】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. 8 is a diagram showing a configuration example of a magnetic memory using the MTJ element of the present invention.

【図9】従来のMTJ素子の構成例を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing a configuration example of a conventional MTJ element.

【図10】磁気メモリに用いられる従来のMTJ素子の
動作原理を示す図である。
FIG. 10 is a diagram showing the operation principle of a conventional MTJ element used for a magnetic memory.

【図11】従来のMTJ素子の構成例を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing a configuration example of a conventional MTJ element.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 MTJ素子 11、61 反強磁性層 12、14、16、19、21、49、62、64、7
1、73、74、76強磁性層 13、17、27、37、47、63 絶縁層 15、18、28、38、48 導体層 20、82、72、75 金属層 51 トランジスタ 52 ビット線 53 ワード線 54 プレートライン
1 MTJ element 11, 61 Antiferromagnetic layer 12, 14, 16, 19, 21, 49, 62, 64, 7
1, 73, 74, 76 Ferromagnetic layer 13, 17, 27, 37, 47, 63 Insulating layer 15, 18, 28, 38, 48 Conducting layer 20, 82, 72, 75 Metal layer 51 Transistor 52 Bit line 53 Word Line 54 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) 5E049 AA01 AA04 AA07 BA06 CB02 CC01 DB12 5F083 FZ10 GA05 GA09 JA60 Continued on the front page (72) Inventor Kazuji Minami 22-22, Nagaikecho, Abeno-ku, Osaka-shi, Osaka F-term (reference) 5E049 AA01 AA04 AA07 BA06 CB02 CC01 DB12 5F083 FZ10 GA05 GA09 JA60

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 少なくとも第1磁性層、非磁性層、第2
磁性層を積層した磁気メモリ素子の、前記第1又は第2
磁性層の前記非磁性層積層側と異なる側に少なくとも一
つの導体層を介して第3磁性層を設けたことを特徴とす
る磁気メモリ素子
At least a first magnetic layer, a non-magnetic layer, a second
The first or second magnetic memory element having a magnetic layer laminated thereon;
A magnetic memory element comprising a third magnetic layer provided on at least one side of a magnetic layer different from the non-magnetic layer lamination side via at least one conductor layer.
【請求項2】 請求項1に記載の磁気メモリ素子におい
て、第3磁性層の磁化の大きさが前記導体層に接する前
記第1又は第2磁性層の磁化の大きさと略等しいことを
特徴とする磁気メモリ素子
2. The magnetic memory device according to claim 1, wherein the magnitude of the magnetization of the third magnetic layer is substantially equal to the magnitude of the magnetization of the first or second magnetic layer in contact with the conductor layer. Magnetic memory element
【請求項3】 請求項1に記載の磁気メモリ素子におい
て、第3磁性層の保磁力が前記導体層に接する前記第1
又は第2磁性層の保磁力より小さいことを特徴とする磁
気メモリ素子
3. The magnetic memory element according to claim 1, wherein a coercive force of a third magnetic layer is in contact with the first conductive layer.
Or a magnetic memory element having a coercive force smaller than that of a second magnetic layer
【請求項4】 請求項1乃至3のいずれかに記載の磁気
メモリ素子において、前記導体層と前記第3磁性層の間
に第2の導体層を設けたことを特徴とする磁気メモリ素
4. The magnetic memory device according to claim 1, wherein a second conductor layer is provided between said conductor layer and said third magnetic layer.
【請求項5】 請求項1乃至3のいずれかに記載の磁気
メモリ素子において、前記第1磁性層又は前記第3磁性
層の外側に第2の導体層を設け、さらに該第2の導体層
の前記第1磁性層又は前記第3磁性層に面しない側に強
磁性体層が接していることを特徴とする磁気メモリ素子
5. The magnetic memory device according to claim 1, wherein a second conductor layer is provided outside the first magnetic layer or the third magnetic layer, and the second conductor layer is further provided. A ferromagnetic layer is in contact with the side not facing the first magnetic layer or the third magnetic layer.
【請求項6】 請求項1乃至5のいずれかに記載の磁気
メモリ素子において、前記第1磁性層と前記第2磁性層
に挟まれる前記非磁性層が絶縁体であることを特徴とす
る磁気メモリ素子
6. The magnetic memory device according to claim 1, wherein said non-magnetic layer sandwiched between said first magnetic layer and said second magnetic layer is an insulator. Memory element
【請求項7】 請求項1乃至6のいずれかに記載の磁気
メモリ素子を用いたことを特徴とする磁気メモリ
7. A magnetic memory using the magnetic memory element according to claim 1.
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