JP2002124717A - Magnetoresistance effect element, its manufacturing method, and magnetic thin film memory using the magnetoresistance effect element - Google Patents

Magnetoresistance effect element, its manufacturing method, and magnetic thin film memory using the magnetoresistance effect element

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JP2002124717A
JP2002124717A JP2000318351A JP2000318351A JP2002124717A JP 2002124717 A JP2002124717 A JP 2002124717A JP 2000318351 A JP2000318351 A JP 2000318351A JP 2000318351 A JP2000318351 A JP 2000318351A JP 2002124717 A JP2002124717 A JP 2002124717A
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layer
magnetic
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tunnel
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Yoshinobu Sekiguchi
芳信 関口
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To avoid electric short-circuit by reducing adhesion of constituent material of a magnetic layer and an electrode under a tunnel barrier layer to a side part of the tunnel barrier layer, in the case of etching process. SOLUTION: After a substrate side electrode layer 1, a first magnetic layer 2, the tunnel barrier layer 3 and a second magnetic layer 4 are laminated in this order, a resist pattern 21 is formed on an element part 22 of the second magnetic layer 4, and the second magnetic layer 4 except the element part 22 is etched and eliminated while leaving a part. The second magnetic layer 4 which is left without being etched and eliminated is oxidized reaching as far as the tunnel barrier layer 3, and resistance is increased to form an oxide layer 6. The whole surface is subjected to sputtering and an insulating layer 7 is formed for sufficient electrical isolation. After that, a window is formed on the upper surface of the element part 22, and an upper electrode 5 is formed.

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、磁化の向きによっ
て情報を記録し、磁気抵抗効果によって情報を再生する
磁気抵抗効果素子及びその製造方法並びにその磁気抵抗
効果素子を用いた磁気薄膜メモリに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a magnetoresistive element for recording information according to the direction of magnetization and reproducing information by a magnetoresistance effect, a method for manufacturing the same, and a magnetic thin film memory using the magnetoresistive element.

【0002】[0002]

【従来の技術】磁気薄膜メモリは、半導体メモリと同様
に稼動部のな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、繰り返し書換え回数が無限回である、
放射線が入射されても記録内容が消失する危険性がない
等、半導体メモリと比較して有利な点がある。
2. Description of the Related Art Like a semiconductor memory, a magnetic thin film memory is a solid-state memory having no moving parts, but does not lose information even when power is cut off, and has an infinite number of rewrites.
There is an advantage in comparison with a semiconductor memory, for example, there is no danger of erasing recorded contents even when radiation is incident.

【0003】磁性トンネル接合を利用した磁気薄膜メモ
リ素子(以下、磁気抵抗効果素子と称する)は、強磁性
体で形成された2つの磁性層の間に、数nm厚の薄い絶
縁体で形成されたトンネル障壁層を介在させた構造を持
つ。
A magnetic thin film memory element using a magnetic tunnel junction (hereinafter referred to as a magnetoresistive effect element) is formed of a thin insulator having a thickness of several nm between two magnetic layers formed of a ferromagnetic material. It has a structure with an intervening tunnel barrier layer.

【0004】この種の磁気抵抗効果素子では、2つの磁
性層間に一定の電流を流した状態で磁性層面内に外部磁
界を印加すると、両磁性層の磁化の相対角度に応じて抵
抗値が変化する磁気抵抗効果現象が現れる。この磁化の
向きが平行である場合には抵抗値は最小となり、反平行
である場合には抵抗値が最大となる。したがって、2つ
の磁性層間に保磁力差を付与することによって、磁界の
強さに応じて磁化の平行状態または反平行状態を実現す
ることができるため、抵抗値の変化による磁化状態の検
出が可能となる。
In this type of magnetoresistive element, when an external magnetic field is applied to the surface of a magnetic layer with a constant current flowing between two magnetic layers, the resistance changes according to the relative angle of magnetization of the two magnetic layers. The magnetoresistance effect phenomenon appears. When the magnetization directions are parallel, the resistance value is minimum, and when the magnetization directions are antiparallel, the resistance value is maximum. Therefore, by providing a coercive force difference between the two magnetic layers, a parallel state or an anti-parallel state of magnetization can be realized according to the strength of the magnetic field, so that the magnetization state can be detected by a change in resistance value. Becomes

【0005】近年、上述したトンネル障壁層にAlの表
面酸化膜を用いることによって、20%近い磁気抵抗変
化率を示す磁気抵抗効果素子が得られるようになったこ
とから、磁気ヘッドや磁気メモリへの磁気抵抗効果素子
の応用の可能性が高まってきた。こうした大きな磁気抵
抗変化率を示す磁気抵抗効果素子を報告している文献の
代表例としては、「1996年4月、ジャーナル・オブ・ア
プライド・フィジックス、79巻、4724〜4729頁(Journa
l of Applied Physics, vol.79, 4724〜4729,1996)」
がある。
In recent years, by using an Al surface oxide film for the tunnel barrier layer, a magnetoresistive element exhibiting a magnetoresistance change rate of nearly 20% has been obtained. The possibility of application of the magnetoresistive effect element has increased. As a representative example of a document reporting a magnetoresistance effect element exhibiting such a large magnetoresistance change rate, "April 1996, Journal of Applied Physics, Vol. 79, pp. 4724-4729 (Journa
l of Applied Physics, vol. 79, 4724-4729, 1996) "
There is.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】上述したような磁気抵
抗効果素子を高密度に製造するためには、素子部(トン
ネル電流が流れる部分)形成工程におけるドライエッチ
ングが不可欠であるが、このドライエッチングによって
トンネル障壁層よりも基板側に位置する下部磁性層や基
板電極までもがエッチングされると、これらを構成する
磁性材料や金属材料がトンネル障壁層のエッチング側壁
に付着することにより、電気的な短絡を生じてしまう。
In order to manufacture the above-described magnetoresistive element at a high density, dry etching in the step of forming an element portion (portion where a tunnel current flows) is indispensable. When the lower magnetic layer and the substrate electrode located closer to the substrate than the tunnel barrier layer are etched, the magnetic material and the metal material constituting the lower magnetic layer and the metal material adhere to the etched side wall of the tunnel barrier layer, thereby causing an electrical problem. A short circuit will occur.

【0007】このような課題を解決するために、例え
ば、特開平10−163544号公報では、下部磁性層
や基板電極をエッチングしない構成が提案されている。
In order to solve such a problem, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-163544 proposes a configuration in which a lower magnetic layer and a substrate electrode are not etched.

【0008】しかしながら、トンネル障壁層は、膜厚が
数nm程度と非常に薄いため、トンネル障壁層付近で再
現性よくエッチングを停止することが困難であった。
However, since the tunnel barrier layer has a very small thickness of about several nm, it has been difficult to stop the etching with good reproducibility in the vicinity of the tunnel barrier layer.

【0009】本発明は上述したような従来の技術が有す
る問題点に鑑みてなされたものであって、エッチング工
程時にトンネル障壁層の下部に位置する磁性層や基板側
電極の構成材料がトンネル障壁層側部に付着することを
低減し、電気的な短絡を回避することができる磁気抵抗
効果素子及びその製造方法並びにその磁気抵抗効果素子
を用いた磁気薄膜メモリを提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and the constituent materials of the magnetic layer and the substrate-side electrode located under the tunnel barrier layer during the etching step are different from those of the prior art. It is an object of the present invention to provide a magnetoresistive element capable of reducing adhesion to a layer side portion and avoiding an electric short circuit, a method for manufacturing the same, and a magnetic thin film memory using the magnetoresistive element.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、第1磁性層と、薄膜の絶縁体で形成された
トンネル障壁層と、第2磁性層とが順次積層された磁性
トンネル接合を具備し、前記第1磁性層と前記第2磁性
層との間に前記トンネル障壁層を介してトンネル電流を
流す磁気抵抗効果素子において、前記第2磁性層を構成
する材料の酸化物で形成された酸化物層と、前記酸化物
層上に配置され、絶縁体で形成された絶縁層とが前記第
2磁性層の前記トンネル電流が流れる領域を限定するよ
うに配置されていることを特徴とする。
According to the present invention, there is provided a magnetic recording medium comprising a first magnetic layer, a tunnel barrier layer formed of a thin insulator, and a second magnetic layer. In a magnetoresistive element having a tunnel junction and flowing a tunnel current between the first magnetic layer and the second magnetic layer via the tunnel barrier layer, an oxide of a material forming the second magnetic layer And an insulating layer formed of an insulator and disposed on the oxide layer so as to limit a region of the second magnetic layer through which the tunnel current flows. It is characterized by.

【0011】また、第1磁性層と、薄膜の絶縁体で形成
されたトンネル障壁層と、第2磁性層とが順次積層され
た磁性トンネル接合を具備し、前記第1磁性層と前記第
2磁性層との間に前記トンネル障壁層を介してトンネル
電流を流す磁気抵抗効果素子において、前記第2磁性層
を構成する材料の窒化物で形成された窒化物層と、前記
窒化物層上に配置され、絶縁体で形成された絶縁層が前
記第2磁性層の前記トンネル電流が流れる領域を限定す
るように配置されていることを特徴とする。
Also, a magnetic tunnel junction is provided in which a first magnetic layer, a tunnel barrier layer formed of a thin-film insulator, and a second magnetic layer are sequentially laminated, and the first magnetic layer and the second magnetic layer are formed. In a magnetoresistive element in which a tunnel current flows between the magnetic layer and the magnetic layer via the tunnel barrier layer, a nitride layer formed of a nitride of a material constituting the second magnetic layer; An insulating layer formed of an insulator is provided so as to limit an area of the second magnetic layer through which the tunnel current flows.

【0012】また、前記第1磁性層及び第2磁性層は、
垂直磁気異方性を持つ磁性体で形成され、層厚方向に磁
化されることを特徴とする。
Further, the first magnetic layer and the second magnetic layer may include:
It is formed of a magnetic material having perpendicular magnetic anisotropy and is magnetized in the layer thickness direction.

【0013】また、前記第1磁性層と前記第2磁性層と
は、保磁力が互いに異なることを特徴とする。
Further, the first magnetic layer and the second magnetic layer have different coercive forces from each other.

【0014】また、前記第2磁性層の前記トンネル障壁
層と接合する側と反対面で前記第2磁性層に接合される
とともに、前記第2磁性層の面積よりも大きな面積を具
備し、かつ、前記第2磁性層との接合部では前記第2磁
性層と磁気的に結合している第3磁性層を有することを
特徴とする。
The second magnetic layer is joined to the second magnetic layer on the side opposite to the side joined to the tunnel barrier layer, and has an area larger than the area of the second magnetic layer; And a third magnetic layer magnetically coupled to the second magnetic layer at a junction with the second magnetic layer.

【0015】また、前記第1磁性層の前記トンネル障壁
層と接合する側と反対面で前記第1磁性層に接合される
反強磁性層を有することを特徴とする。
Further, an antiferromagnetic layer joined to the first magnetic layer is provided on a surface of the first magnetic layer opposite to a side joined to the tunnel barrier layer.

【0016】また、前記磁気抵抗効果素子の製造方法で
あって、前記第1磁性層、前記トンネル障壁層及び前記
第2磁性層を順次積層する工程と、前記第2磁性層のう
ち前記トンネル電流が流れる領域以外を一部残してエッ
チング除去する工程と、前記第2磁性層のうちエッチン
グ除去されずに残った領域を酸化して前記酸化物層を形
成する工程と、前記酸化物層上に前記絶縁層を形成する
工程とを有することを特徴とする。
In the method of manufacturing a magnetoresistive element, a step of sequentially laminating the first magnetic layer, the tunnel barrier layer, and the second magnetic layer; Etching the remaining portion of the second magnetic layer that is not etched away, forming the oxide layer by oxidizing a region of the second magnetic layer remaining without being removed, Forming the insulating layer.

【0017】また、前記磁気抵抗効果素子の製造方法で
あって、前記第1磁性層、前記トンネル障壁層及び前記
第2磁性層を順次積層する工程と、前記第2磁性層のう
ち前記トンネル電流が流れる領域以外を一部残してエッ
チング除去する工程と、前記第2磁性層のうちエッチン
グ除去されずに残った領域を窒化して前記窒化物層を形
成する工程と、前記窒化物層上に前記絶縁層を形成する
工程とを有することを特徴とする。
In the method for manufacturing a magnetoresistive element, a step of sequentially laminating the first magnetic layer, the tunnel barrier layer, and the second magnetic layer; A step of etching and removing a portion other than a region where the gas flows, forming a nitride layer by nitriding a region of the second magnetic layer remaining without being etched, and forming a nitride layer on the nitride layer. Forming the insulating layer.

【0018】また、本発明の磁気抵抗効果素子を用いた
磁気薄膜メモリは、前記磁気抵抗効果素子を用いて情報
を記録、再生することを特徴とする。
A magnetic thin film memory using a magnetoresistive element according to the present invention is characterized in that information is recorded and reproduced using the magnetoresistive element.

【0019】(作用)上記のように構成された本発明に
おいては、第1磁性層と、薄膜の絶縁体で形成されたト
ンネル障壁層と、第2磁性層とが順次積層された磁性ト
ンネル接合を具備し、第1磁性層と第2磁性層との間に
トンネル障壁層を介してトンネル電流を流す磁気抵抗効
果素子において、第2磁性層を構成する材料の酸化物ま
たは窒化物で形成された酸化物層または窒化物層と、酸
化物層または窒化物層上に配置され、絶縁体で形成され
た絶縁層とが第2磁性層のトンネル電流が流れる領域を
限定するように配置されている。
(Function) In the present invention having the above-described structure, a magnetic tunnel junction in which a first magnetic layer, a tunnel barrier layer formed of a thin insulator, and a second magnetic layer are sequentially laminated. Wherein a tunnel current flows between the first magnetic layer and the second magnetic layer via a tunnel barrier layer. The magnetoresistive element is formed of an oxide or nitride of a material constituting the second magnetic layer. An oxide layer or a nitride layer, and an insulating layer formed on the oxide layer or the nitride layer and formed of an insulator are arranged so as to limit a region of the second magnetic layer through which a tunnel current flows. I have.

【0020】本発明に従えば、トンネル障壁層は、第2
磁性層の酸化物層または窒化物層を介して絶縁層に接す
るため、絶縁層の界面に沿ってリーク電流が発生したと
しても、第1磁性層に到達するパスが存在しないため、
このリーク電流は実際には第1磁性層に流れることがな
い。したがって、第1磁性層と第2磁性層との磁化方向
が、平行か反平行かに対応する良好な磁気抵抗特性が得
られる。
According to the present invention, the tunnel barrier layer comprises
Since the insulating layer is in contact with the insulating layer via the oxide layer or the nitride layer of the magnetic layer, even if a leak current occurs along the interface of the insulating layer, there is no path reaching the first magnetic layer.
This leak current does not actually flow through the first magnetic layer. Therefore, good magnetoresistance characteristics corresponding to whether the magnetization directions of the first magnetic layer and the second magnetic layer are parallel or antiparallel can be obtained.

【0021】また、本発明に従えば、上記のように構成
された磁気抵抗効果素子は、第1磁性層、トンネル障壁
層及び第2磁性層を順次積層する工程と、第2磁性層の
うちトンネル電流が流れる領域以外を一部残してエッチ
ング除去する工程と、第2磁性層のうちエッチング除去
されずに残った領域を酸化または窒化して酸化物層また
は窒化物層を形成する工程と、酸化物層または窒化物層
上に絶縁層を形成するする工程とを含む製造方法により
製造される。
Further, according to the present invention, in the magnetoresistive element configured as described above, a step of sequentially laminating a first magnetic layer, a tunnel barrier layer and a second magnetic layer, A step of etching away leaving a part other than a region where a tunnel current flows, and a step of oxidizing or nitriding a region of the second magnetic layer that is not etched away to form an oxide layer or a nitride layer; Forming an insulating layer on the oxide layer or the nitride layer.

【0022】このように、第2磁性層のうちトンネル電
流が流れる領域以外を一部残してエッチング除去し、残
った第2磁性層を酸化または窒化して高抵抗化すること
により、第2磁性層をエッチングする際の許容範囲が、
従来技術ではトンネル障壁層の厚さであったのに対し、
第2磁性層の厚さとトンネル障壁層の厚さとの和とな
り、許容範囲が大幅に広がるため、第1磁性層や基板側
電極をエッチングすることがなくなる。
As described above, the second magnetic layer is etched away while leaving a part other than the region where the tunnel current flows, and the remaining second magnetic layer is oxidized or nitrided to increase the resistance, thereby increasing the second magnetic layer. The tolerance when etching the layer is
Whereas in the prior art, the thickness of the tunnel barrier layer was
Since the sum of the thickness of the second magnetic layer and the thickness of the tunnel barrier layer is obtained, and the allowable range is greatly widened, the first magnetic layer and the substrate-side electrode are not etched.

【0023】これにより、エッチング工程時に第1磁性
層や基板側電極の構成材料がトンネル障壁層側部に付着
することなく磁気抵抗効果素子を製造することが可能と
なるため、トンネル障壁層側部の付着物に起因する電気
的な短絡を回避することが可能となる。また、エッチン
グする際の許容範囲が広がるため、再現性よくエッチン
グすることが可能になり、磁気抵抗効果素子製造時の歩
留まりを大幅に向上させることが可能となる。
This makes it possible to manufacture the magnetoresistive element without the constituent materials of the first magnetic layer and the substrate-side electrode adhering to the tunnel barrier layer during the etching step. It is possible to avoid an electric short circuit caused by the adhered substance. Further, since the allowable range of the etching is widened, the etching can be performed with good reproducibility, and the yield at the time of manufacturing the magnetoresistive element can be greatly improved.

【0024】また、第2磁性層上に、第2磁性層の面積
よりも大きな面積を具備し、かつ、第2磁性層との接合
部では第2磁性層と磁気的に結合している第3磁性層を
設けた場合には、記憶保持に必要な保持力を第2磁性層
及び第3磁性層の合成保磁力で賄うことができるため、
その分第2磁性層を薄く形成することが可能となる。し
たがって、第2磁性層のエッチング量が少なくなるた
め、エッチングの深さ制御の精度が向上し、更に、製造
時の歩留まりを大幅に向上させることが可能となる。
The second magnetic layer has an area larger than the area of the second magnetic layer, and is magnetically coupled to the second magnetic layer at a junction with the second magnetic layer. In the case where the three magnetic layers are provided, the coercive force required for storing data can be covered by the combined coercive force of the second magnetic layer and the third magnetic layer.
As a result, the second magnetic layer can be formed thin. Therefore, since the etching amount of the second magnetic layer is reduced, the accuracy of controlling the etching depth is improved, and the yield during manufacturing can be significantly improved.

【0025】また、上述した第3磁性層を設けた場合に
は、高密度メモリを実現するために第2磁性層を微細化
しても、第2磁性層と第3磁性層とが磁気的に結合して
いるため、第2磁性層において微細化に伴う磁化のカー
リング発生を抑圧することが可能となる。したがって、
第2磁性層を微細化しても、トンネル障壁層を介して対
抗する第1磁性層と第2磁性層との間で磁化方向を平行
または反平行状態にできるため、高集積化された磁気抵
抗効果素子及び磁気薄膜メモリ(MRAM)が実現可能
となる。
In the case where the above-mentioned third magnetic layer is provided, even if the second magnetic layer is miniaturized in order to realize a high-density memory, the second magnetic layer and the third magnetic layer are magnetically separated. Due to the coupling, it is possible to suppress the occurrence of magnetization curling due to miniaturization in the second magnetic layer. Therefore,
Even if the second magnetic layer is miniaturized, the magnetization direction can be made parallel or anti-parallel between the first magnetic layer and the second magnetic layer which are opposed via the tunnel barrier layer. An effect element and a magnetic thin film memory (MRAM) can be realized.

【0026】なお、第3磁性層は、第2磁性層とトンネ
ル障壁層との接合部の面積よりも大きくなるが、この大
きな部分は素子分離領域や配線部分とオーバーラップさ
せることが可能であるため、実質的に高集積化可能であ
る。
The third magnetic layer is larger than the area of the junction between the second magnetic layer and the tunnel barrier layer, and this large portion can overlap with the element isolation region and the wiring portion. Therefore, high integration can be achieved substantially.

【0027】[0027]

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて図面を参照して説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0028】(第1の実施の形態)図1は、本発明の磁
気抵抗効果素子の第1の実施の形態を示す断面図であ
る。
(First Embodiment) FIG. 1 is a sectional view showing a first embodiment of a magnetoresistive element according to the present invention.

【0029】図1に示すように本実施形態においては、
基板(不示図)上に、電気抵抗の低い材料で形成される
基板側電極1、強磁性体金属等の磁性体で形成される第
1磁性層2、薄い絶縁体で形成されるトンネル障壁層
3、強磁性体金属等の磁性体で形成される第2磁性層4
及び上部電極5が順次積層されている構成において、第
2磁性層4を構成する磁性体の酸化物(または窒化物)
で形成される酸化物層(または窒化物層)6と、酸化物
層(または窒化物層)6上に絶縁体で形成される絶縁層
7とが第2磁性層4のトンネル電流を限定するように設
けられている。
As shown in FIG. 1, in this embodiment,
A substrate-side electrode 1 made of a material having a low electric resistance, a first magnetic layer 2 made of a magnetic material such as a ferromagnetic metal, and a tunnel barrier formed of a thin insulator on a substrate (not shown). Layer 3, second magnetic layer 4 formed of a magnetic material such as ferromagnetic metal
And an oxide (or nitride) of a magnetic material constituting the second magnetic layer 4 in a configuration in which the second magnetic layer 4 and the upper electrode 5 are sequentially laminated.
The oxide layer (or nitride layer) 6 formed by the above and the insulating layer 7 formed of an insulator on the oxide layer (or nitride layer) 6 limit the tunnel current of the second magnetic layer 4. It is provided as follows.

【0030】具体的には、基板側電極層1としてCu層
(膜厚50nm)、第1磁性層2としてNiFe層(膜
厚20nm)、トンネル障壁層3としてAlOx層(膜
厚1.2nm)、第2磁性層4としてCo層(膜厚30
nm)、上部電極層5としてCu層(膜厚100nm)
が形成され、更に、素子部以外の領域は、第2磁性層4
であるCo層の酸化物で形成される酸化物層6と、Al
2O3、SiO2、Si3N4等で形成される絶縁層7とに
より電気的に分離されている。
Specifically, a Cu layer (50 nm thick) as the substrate-side electrode layer 1, a NiFe layer (20 nm thick) as the first magnetic layer 2, and an AlOx layer (1.2 nm thick) as the tunnel barrier layer 3 A Co layer (film thickness 30) as the second magnetic layer 4.
nm), Cu layer (100 nm thick) as upper electrode layer 5
Are formed, and regions other than the element portion are formed in the second magnetic layer 4.
An oxide layer 6 formed of an oxide of a Co layer,
It is electrically separated by an insulating layer 7 made of 2O3, SiO2, Si3N4 or the like.

【0031】ここで、本実施形態においては、第1磁性
層2及び第2磁性層4が強磁性体金属等の磁性体で形成
されるが、この強磁性体金属では、伝導電子がスピン偏
極を起こしているため、フェルミ面における上向きスピ
ンと下向きスピンとの電子状態が互いに異なっている。
このような強磁性体金属で形成される第1磁性層2と第
2磁性層4との間に、絶縁体で形成されるトンネル障壁
層3を挟むことで磁性トンネル接合を作る場合には、ト
ンネル障壁層3に電圧を印加すると、伝導電子がそのス
ピンを保ったまま第1磁性層2から第2磁性層4に(ま
たは、第2磁性層4から第1磁性層2に)トンネルし、
第1磁性層2と第2磁性層4との間でトンネル障壁層3
を介してトンネル現象が生じるため、両磁性層の磁化状
態によってはトンネル確率が変化し、このトンネル確率
の変化がトンネル抵抗の変化となって現れる。これによ
り、第1磁性層2と第2磁性層4との磁化が平行の場合
は抵抗値が小さく、反平行の場合は抵抗値が大きくなる
が、上向きスピンと下向きスピンとの状態密度の差が大
きい方がトンネル抵抗の抵抗値は大きくなり、より大き
な再生信号を得ることができる。
Here, in the present embodiment, the first magnetic layer 2 and the second magnetic layer 4 are formed of a magnetic material such as a ferromagnetic metal. In this ferromagnetic metal, conduction electrons are spin-polarized. Since the pole is raised, the electronic states of the upward spin and the downward spin on the Fermi surface are different from each other.
When a magnetic tunnel junction is formed by sandwiching the tunnel barrier layer 3 formed of an insulator between the first magnetic layer 2 and the second magnetic layer 4 formed of such a ferromagnetic metal, When a voltage is applied to the tunnel barrier layer 3, the conduction electrons tunnel from the first magnetic layer 2 to the second magnetic layer 4 (or from the second magnetic layer 4 to the first magnetic layer 2) while maintaining their spins,
Tunnel barrier layer 3 between first magnetic layer 2 and second magnetic layer 4
, A tunnel phenomenon occurs, and the tunnel probability changes depending on the magnetization state of both magnetic layers, and the change in the tunnel probability appears as a change in the tunnel resistance. Accordingly, when the magnetizations of the first magnetic layer 2 and the second magnetic layer 4 are parallel, the resistance value is small, and when the magnetizations are antiparallel, the resistance value is large. Is larger, the resistance value of the tunnel resistance becomes larger, and a larger reproduction signal can be obtained.

【0032】したがって、第1磁性層2及び第2磁性層
4は、スピン分極率の高い磁性材料により形成すること
が望ましい。スピン分極率の高い磁性材料としては、フ
ェルミ面における上下スピンの偏極量が大きいFeを第
1成分として選定し、Coを第2成分として選定する。
具体的には、Fe、Co、Niを主成分とした材料で形
成されることが望ましく、より望ましくはFe、Co、
FeCo、NiFe、NiFeCo等がよい。なお、N
iFeを用いる場合には、その元素組成をNixFe100
-xとすると、xは0〜82が望ましく、より具体的に
は、Ni72Fe23、Ni51Fe49、Ni42Fe58、Ni
25Fe75、Ni9Fe91等が望ましい。
Therefore, it is desirable that the first magnetic layer 2 and the second magnetic layer 4 are formed of a magnetic material having a high spin polarizability. As a magnetic material having a high spin polarizability, Fe having a large amount of polarization of the upper and lower spins on the Fermi surface is selected as the first component, and Co is selected as the second component.
Specifically, it is desirable to be formed of a material containing Fe, Co, and Ni as main components, and more desirably, Fe, Co, and Ni.
FeCo, NiFe, NiFeCo and the like are preferable. Note that N
When iFe is used, its elemental composition is NixFe100
-x, x is preferably from 0 to 82, and more specifically, Ni72Fe23, Ni51Fe49, Ni42Fe58, Ni
25Fe75, Ni9Fe91 and the like are desirable.

【0033】第2磁性層4は、「0」、「1」の磁化情
報を磁化方向として記録するために設けられたもので、
この磁化情報に応じて磁化方向が決定される。第2磁性
層4は、磁化状態を安定して保存できること、及び、第
1磁性層2よりも高い保磁力を有することが必要であ
る。このため、第2磁性層4は、上述した組成のうち、
Fe、Coを主成分とした材料で形成されることが望ま
しく、具体的には、Fe、FeCo、Co等の磁性膜で
形成されることが望ましい。
The second magnetic layer 4 is provided for recording magnetization information of "0" and "1" as a magnetization direction.
The magnetization direction is determined according to the magnetization information. The second magnetic layer 4 needs to be able to stably store the magnetization state and to have a higher coercive force than the first magnetic layer 2. For this reason, the second magnetic layer 4 is made of the composition described above.
It is desirable to be formed of a material containing Fe and Co as main components, and specifically, it is desirable to be formed of a magnetic film such as Fe, FeCo, and Co.

【0034】また、第2磁性層4には、保磁力の制御や
耐食性の向上等を目的としてPt等の元素を添加しても
よい。なお、CoにFeを添加すると保磁力は小さくな
り、Ptを添加すると保磁力は大きくなるので、第2磁
性層4に、例えばCo100-x-yFexPtyの元素組成の
材料を用いる場合には、x及びyを調節して保磁力を制
御すればよい。また、成膜時の基板温度高くすることに
よっても保磁力を高めることができるため、保磁力を制
御する別の方法として、成膜時の基板温度を調節する方
法を用いてもよく、この方法を上述した元素組成を調節
する方法と組合せてもよい。また、第1磁性層2の保磁
力の調節も上述と同様に、元素組成や成膜時の基板温度
で調節することができる。
Further, an element such as Pt may be added to the second magnetic layer 4 for the purpose of controlling coercive force and improving corrosion resistance. When Fe is added to Co, the coercive force decreases, and when Pt is added, the coercive force increases. Therefore, when a material having an elemental composition of Co100-x-yFexPty is used for the second magnetic layer 4, for example, x And y may be adjusted to control the coercive force. Further, since the coercive force can be increased by increasing the substrate temperature during film formation, another method of controlling the coercive force may be a method of adjusting the substrate temperature during film formation. May be combined with the method for adjusting the element composition described above. Also, the coercive force of the first magnetic layer 2 can be adjusted by the element composition and the substrate temperature at the time of film formation, as described above.

【0035】第2磁性層4の膜厚は、磁気抵抗効果を効
率的に発生し、かつ磁化情報を記憶保持するために充分
な保磁力を持つ厚さが必要であり、20Å以上が望まし
く、より望ましくは80Å以上がよい。また、厚すぎる
とワード電極からの距離が離れて磁化反転が起きにくく
なる等の問題が生じるため、5000Å以下が望まし
く、より望ましくは1000Å以下がよい。
The thickness of the second magnetic layer 4 needs to be a thickness having a sufficient coercive force for efficiently generating a magnetoresistance effect and storing and holding magnetization information, and is preferably 20 ° or more. More preferably, the angle is 80 ° or more. On the other hand, if the thickness is too large, there is a problem that the distance from the word electrode is too large to cause the magnetization reversal to occur easily.

【0036】第1磁性層2は、第2磁性層4が記録する
「0」、「1」の磁化情報をスピントンネルによる磁気
抵抗効果を利用して読み出すために設けられたものであ
る。第1磁性層2は、第2磁性層の保磁力よりも低い保
磁力を有し、再生時には第1磁性層のみの磁化方向が反
転するようにする。なお、本実施形態のように、第1磁
性層2の保磁力と第2磁性層4の保磁力とが互いに異な
る磁気抵抗効果素子は、保磁力差型の磁気抵抗効果素子
と称される。
The first magnetic layer 2 is provided for reading out the magnetization information “0” and “1” recorded by the second magnetic layer 4 by utilizing the magnetoresistance effect by spin tunneling. The first magnetic layer 2 has a coercive force lower than the coercive force of the second magnetic layer, and the direction of magnetization of only the first magnetic layer is reversed during reproduction. Note that a magnetoresistive element in which the coercive force of the first magnetic layer 2 and the coercive force of the second magnetic layer 4 are different from each other is called a coercive force difference type magnetoresistive element.

【0037】このため、第1磁性層2は、上述した組成
のうち、Niを含む軟磁性材料で形成されることが望ま
しく、具体的には、NiFe、NiFeCoを主成分と
した材料で形成されることが望ましい。なお、NiFe
を用いる場合には、その元素組成をNixFe100-xとす
ると、xは30〜82が望ましい。また、NiFeCo
を用いる場合には、その元素組成をNix(Fe100-yC
oy)100-xとすると、xは30〜82、yは0〜90が
望ましい。
For this reason, the first magnetic layer 2 is desirably formed of a soft magnetic material containing Ni of the above-described composition, and specifically, is formed of a material mainly containing NiFe and NiFeCo. Is desirable. Note that NiFe
When x is used, if the element composition is NixFe100-x, x is desirably 30 to 82. Also, NiFeCo
When Ni is used, the element composition is changed to Nix (Fe100-yC
oy) If 100-x, x is preferably 30 to 82 and y is preferably 0 to 90.

【0038】第1磁性層2の膜厚は、第2磁性層4の保
磁力にも関係するが、20Å以上が望ましく、より望ま
しくは80Å以上がよい。また、5000Å以下が望ま
しく、より望ましくは1000Å以下がよい。
The thickness of the first magnetic layer 2 depends on the coercive force of the second magnetic layer 4, but is preferably 20 ° or more, more preferably 80 ° or more. Also, it is preferably 5000 ° or less, more preferably 1000 ° or less.

【0039】上述したような磁性体は、主に面内に磁化
軸を持つものであるが、垂直磁気異方性を持つ磁性体で
あるGdFe、TbFe等のフェリ磁性材料で第1磁性
層2及び第2磁性層4を形成してもよい。第1磁性層2
及び第2磁性層4をフェリ磁性材料で形成することによ
り、磁性層の層厚方向に磁化軸を持つ磁気抵抗効果素子
を実現することができる。このような垂直磁気抵抗効果
素子では、磁性層の面積が小さくなっても面内磁化のよ
うな磁化のカーリングが生じないという利点がある。更
に、本実施形態においては、第2磁性層4を構成する磁
性体の酸化物(または窒化物)で酸化物層(または窒化
物層)6が形成されることになるが、特に、フェリ磁性
材料の酸化物は、Co、NiFe等の酸化物よりも高抵
抗となるため、リーク電流の低減や素子の分離において
より効果的である。
The magnetic material as described above mainly has a magnetization axis in a plane, but is made of a ferrimagnetic material such as GdFe or TbFe which is a magnetic material having perpendicular magnetic anisotropy. And the second magnetic layer 4 may be formed. First magnetic layer 2
By forming the second magnetic layer 4 with a ferrimagnetic material, a magnetoresistive element having a magnetization axis in the thickness direction of the magnetic layer can be realized. Such a perpendicular magnetoresistance effect element has an advantage that even if the area of the magnetic layer is reduced, curling of magnetization such as in-plane magnetization does not occur. Furthermore, in the present embodiment, the oxide layer (or nitride layer) 6 is formed of the oxide (or nitride) of the magnetic material constituting the second magnetic layer 4, and in particular, ferrimagnetic The oxide of the material has higher resistance than oxides of Co, NiFe, etc., and is more effective in reducing leakage current and separating elements.

【0040】トンネル障壁層3は、上述したように薄い
絶縁体で形成されるが、伝導電子がスピンを保持してト
ンネルするためには、この絶縁体が非磁性でなければな
らない。また、その一部の厚みを極小にすることによ
り、磁気抵抗効果をさらに高めることができる。また、
トンネル障壁層3は、非磁性金属膜を酸化させた酸化層
としてもよく、酸化層を形成する例としては、Al膜の
一部を空気中で酸化させてAl2O3層を形成する例が挙
げられる。このAl2O3層は、絶縁性が高く緻密である
ために望ましいものである。また、トンネル障壁層3
は、Al2O3等のAlxOyの他には、AlNx、SiO
x、SiNx、NiOxを主成分とした材料で形成される
ことが望ましい。また、トンネル障壁層3の膜厚は、4
〜25Åが望ましく、均一であることが望ましい。
The tunnel barrier layer 3 is formed of a thin insulator as described above. In order for conduction electrons to tunnel while holding spin, the insulator must be nonmagnetic. Further, by minimizing the thickness of a part thereof, the magnetoresistance effect can be further enhanced. Also,
The tunnel barrier layer 3 may be an oxide layer obtained by oxidizing a nonmagnetic metal film. An example of forming the oxide layer is an example in which a part of an Al film is oxidized in air to form an Al2O3 layer. . This Al2O3 layer is desirable because it has high insulating properties and is dense. Also, the tunnel barrier layer 3
Means AlNx, SiO2 other than AlxOy such as Al2O3
It is desirable to be formed of a material containing x, SiNx and NiOx as main components. The thickness of the tunnel barrier layer 3 is 4
Å25 ° is desirable, and preferably uniform.

【0041】以下に、本発明の磁気抵抗効果素子の製造
工程について説明する。
Hereinafter, the manufacturing process of the magnetoresistance effect element of the present invention will be described.

【0042】図2は、図1に示した磁気抵抗効果素子の
製造工程を説明するための図であり、磁気抵抗効果素子
の断面を示している。
FIG. 2 is a view for explaining a manufacturing process of the magnetoresistive element shown in FIG. 1 and shows a cross section of the magnetoresistive element.

【0043】まず、基板(不図示)上に、基板側電極層
1、第1磁性層2、トンネル障壁層3及び第2磁性層4
を順次積層する(図2(a))。
First, a substrate-side electrode layer 1, a first magnetic layer 2, a tunnel barrier layer 3, and a second magnetic layer 4 are formed on a substrate (not shown).
Are sequentially laminated (FIG. 2A).

【0044】なお、基板側電極層1、第1磁性層2及び
第2磁性層4は、例えば、イオンビームスパッタリング
法により形成することができる。また、トンネル障壁層
3は、金属アルミニウム膜をイオンビームスパッタによ
り形成し、この金属アルミニウム膜を酸素プラズマによ
り酸化させて形成する。
The substrate-side electrode layer 1, the first magnetic layer 2, and the second magnetic layer 4 can be formed by, for example, an ion beam sputtering method. The tunnel barrier layer 3 is formed by forming a metal aluminum film by ion beam sputtering and oxidizing the metal aluminum film by oxygen plasma.

【0045】次に、フォトリソグラフィ法により、第2
磁性層4の素子部22上にレジストパターン21を形成
する(図2(b))。
Next, the second photolithography method is used.
A resist pattern 21 is formed on the element portion 22 of the magnetic layer 4 (FIG. 2B).

【0046】次に、Arイオンミリング等でドライエッ
チングすることにより、素子部22以外の第2磁性層4
を一部残してエッチング除去する(図2(c))。ここ
では、エッチング面からトンネル障壁層3までの距離が
およそ5nm以下となるように、その距離をエッチング
時間に基づき制御した。なお、従来技術のようにトンネ
ル障壁層3までエッチングを行う場合には、エッチング
の許容範囲がトンネル障壁層3の膜厚(1.2nm)と
なるが、本実施形態では、エッチングの許容範囲が約5
倍の6nm程度になる。
Next, the second magnetic layer 4 other than the element portion 22 is dry-etched by Ar ion milling or the like.
Is partially removed by etching (FIG. 2C). Here, the distance was controlled based on the etching time so that the distance from the etching surface to the tunnel barrier layer 3 was about 5 nm or less. When the etching is performed up to the tunnel barrier layer 3 as in the conventional technique, the allowable range of the etching is the film thickness (1.2 nm) of the tunnel barrier layer 3, but in the present embodiment, the allowable range of the etching is limited. About 5
About 6 nm.

【0047】次に、酸素雰囲気中(1Pa以下)で酸素
プラズマ(30W:20min)に晒すことにより、エ
ッチング除去されずに残っている第2磁性層4をトンネ
ル障壁層3に達するまで酸化して高抵抗化することで酸
化物層6を形成し(図2(d))、更に、十分な電気的
分離を行うために全面をスパッタしてAl2O3、SiO
2、Si3N4等の絶縁層7を形成する。
Next, the second magnetic layer 4 remaining without being etched away is oxidized by exposure to oxygen plasma (30 W: 20 min) in an oxygen atmosphere (1 Pa or less) until it reaches the tunnel barrier layer 3. The oxide layer 6 is formed by increasing the resistance (FIG. 2 (d)). Further, the entire surface is sputtered to perform Al 2 O 3 and SiO
2. An insulating layer 7 of Si3N4 or the like is formed.

【0048】その後、リフトオフ法により素子部22の
上面に窓を開け、上部電極5を形成することにより、図
2(e)に示すような断面構造を具備する磁気抵抗効果
素子を製造することができる。
Thereafter, a window is opened on the upper surface of the element portion 22 by the lift-off method, and the upper electrode 5 is formed, whereby a magnetoresistive element having a cross-sectional structure as shown in FIG. it can.

【0049】上述したように本実施形態においては、磁
気抵抗効果素子の素子部22を形成するためのエッチン
グは、第2磁性層4の途中まで行い、残った第2磁性層
4を酸化することで高抵抗化しているため、エッチング
の許容範囲が広くなり、これにより、第1磁性層2や基
板側電極1をエッチングすることがない。したがって、
第1磁性層2や基板側電極材料1の構成材料がエッチン
グ中にトンネル障壁層3の側部に付着することなく磁気
抵抗効果素子を製造することができるため、電気的な短
絡を回避することができる。
As described above, in this embodiment, the etching for forming the element portion 22 of the magnetoresistive element is performed halfway through the second magnetic layer 4 and the remaining second magnetic layer 4 is oxidized. Therefore, the allowable range of etching is widened, so that the first magnetic layer 2 and the substrate-side electrode 1 are not etched. Therefore,
Since the material of the first magnetic layer 2 and the material of the substrate-side electrode material 1 do not adhere to the side of the tunnel barrier layer 3 during etching, a magnetoresistive element can be manufactured, so that an electrical short circuit is avoided. Can be.

【0050】(第2の実施の形態)図3は、本発明の磁
気抵抗効果素子の第2の実施の形態を示す断面図であ
る。
(Second Embodiment) FIG. 3 is a sectional view showing a second embodiment of the magnetoresistance effect element of the present invention.

【0051】図3に示すように本実施形態は、図1に示
した第1の実施形態に対して、第2磁性層4と上部電極
5との間に、第2磁性層4よりも大きな面積を具備し、
かつ第2磁性層4に磁気的に結合された第3磁性層31
が設けられている点が異なるものである。なお、その他
の構成及び動作は、第1の実施形態と同様である。
As shown in FIG. 3, the present embodiment is different from the first embodiment shown in FIG. 1 in that a portion larger than the second magnetic layer 4 is provided between the second magnetic layer 4 and the upper electrode 5. Have an area,
And third magnetic layer 31 magnetically coupled to second magnetic layer 4
Is provided. Other configurations and operations are the same as those of the first embodiment.

【0052】上記のように構成された磁気抵抗効果素子
においては、記憶保持に必要な保磁力を第2磁性層4及
び第3磁性層31の合成保磁力で賄えばよいため、その
分第2磁性層4を薄く形成することができる。また、第
2磁性層4を薄く形成することで、第2磁性層4のエッ
チング量が少なくなるため、エッチングの深さ制御の精
度が向上し、更に製造時の歩留まりを大幅に向上させる
ことができる。
In the magnetoresistive effect element configured as described above, the coercive force required for holding the data may be covered by the combined coercive force of the second magnetic layer 4 and the third magnetic layer 31. The magnetic layer 4 can be formed thin. Further, by forming the second magnetic layer 4 thin, the amount of etching of the second magnetic layer 4 is reduced, so that the accuracy of controlling the etching depth is improved, and the yield at the time of manufacturing is significantly improved. it can.

【0053】また、高密度メモリを実現するために第2
磁性層4を微細化しても、第2磁性層4よりも大きな面
積を具備する第3磁性層31と第2磁性層4とが磁気的
に結合されているため、第2磁性層4の微細化に伴う磁
化のカーリング発生を抑圧できる。したがって、第2磁
性層4を微細化しても、トンネル障壁層3を介して対抗
する第1磁性層2と第2磁性層4との間で磁化方向を平
行または反平行状態にできるため、高集積化された磁気
抵抗効果素子および磁気薄膜メモリ(MRAM)を実現
することができる。
In order to realize a high-density memory, the second
Even if the magnetic layer 4 is miniaturized, since the third magnetic layer 31 having a larger area than the second magnetic layer 4 and the second magnetic layer 4 are magnetically coupled, the fineness of the second magnetic layer 4 is reduced. Curling of magnetization due to the formation can be suppressed. Therefore, even if the second magnetic layer 4 is miniaturized, the magnetization direction can be made parallel or anti-parallel between the first magnetic layer 2 and the second magnetic layer 4 opposed via the tunnel barrier layer 3. An integrated magnetoresistive element and a magnetic thin film memory (MRAM) can be realized.

【0054】なお、本実施形態においては、第3磁性層
31が設けられているため、上述したように第2磁性層
4の膜厚は薄くすることができるが、その膜厚は、具体
的には5〜20Åが望ましい。
In this embodiment, since the third magnetic layer 31 is provided, the thickness of the second magnetic layer 4 can be reduced as described above. Is preferably 5 to 20 °.

【0055】また、第3磁性層31の必要な機能、膜
厚、材料等は、必要な保磁力が第2磁性層との合成保磁
力となる以外は、第2磁性層4単独構成の場合の第2磁
性層4と同等である。
The required function, thickness, material and the like of the third magnetic layer 31 are the same as those of the second magnetic layer 4 alone except that the required coercive force is a combined coercive force with the second magnetic layer. Of the second magnetic layer 4.

【0056】(第3の実施の形態)図4は、本発明の磁
気抵抗効果素子の第2の実施の形態を示す断面図であ
る。
(Third Embodiment) FIG. 4 is a sectional view showing a magnetoresistive element according to a second embodiment of the present invention.

【0057】図4に示すように本実施形態は、図1に示
した第1の実施形態に対して、基板側電極1と第1磁性
層2との間に、第1磁性層2に交換結合している反強磁
性層41(例えば、膜厚20nmのFeMn)が設けら
れている点が異なるものである。なお、その他の構成及
び動作は、第1の実施形態と同様である。
As shown in FIG. 4, this embodiment is different from the first embodiment shown in FIG. 1 in that the first magnetic layer 2 is replaced between the substrate side electrode 1 and the first magnetic layer 2. The difference is that an antiferromagnetic layer 41 (for example, FeMn having a thickness of 20 nm) is provided. Other configurations and operations are the same as those of the first embodiment.

【0058】上記のように構成された磁気抵抗効果素子
においては、基板側電極1と第1磁性層2との間に設け
られた反強磁性層41により、第1磁性層2の磁化方向
が固定され、第2磁性層4の磁化方向(記録されている
情報に対応)が、第1磁性層2の磁化と「平行」か「反
平行」かによる素子抵抗の違いによって情報を読み出
す。
In the magnetoresistive element constructed as described above, the magnetization direction of the first magnetic layer 2 is changed by the antiferromagnetic layer 41 provided between the substrate-side electrode 1 and the first magnetic layer 2. The information is read out depending on the element resistance depending on whether the magnetization direction of the second magnetic layer 4 (corresponding to the recorded information) is “parallel” or “anti-parallel” with the magnetization of the first magnetic layer 2.

【0059】以下に、上述した本発明の磁気抵抗効果素
子を用いた磁気薄膜メモリの構成について説明する。
The configuration of a magnetic thin film memory using the above-described magnetoresistive effect element of the present invention will be described below.

【0060】まず、本発明の磁気抵抗効果素子を素子選
択用のダイオードやトランジスタと組み合わせた磁気薄
膜メモリの1ビットの構成について説明する。
First, a 1-bit configuration of a magnetic thin film memory in which the magnetoresistive element of the present invention is combined with an element selecting diode or transistor will be described.

【0061】図5は、本発明の磁気抵抗効果素子とMO
Sトランジスタ(MOS−FET)とを組み合わせた磁
気薄膜メモリの一構成例を示す図である。なお、図5に
おいては、1個の磁気抵抗効果素子と1個のMOS−F
ETとが組み合わされて磁気薄膜メモリの1ビットが構
成されている。
FIG. 5 shows the magnetoresistance effect element of the present invention and the MO.
FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration example of a magnetic thin film memory in which an S transistor (MOS-FET) is combined. In FIG. 5, one magnetoresistive element and one MOS-F
One bit of the magnetic thin film memory is configured in combination with ET.

【0062】図5に示すように本構成例においては、本
発明の磁気抵抗効果素子51の一端がSi基板(不図
示)上に形成されたMOS−FET52のドレイン電極
に接続され、他端がビット線53に接続されている。磁
気抵抗効果素子51への書き込みは、ビット線53とワ
ード線54に同時に電流を流し、その交点において各電
流により発生する合成磁場により、磁気抵抗効果素子5
1のメモリ層に磁化方向として行われる。一方、磁気抵
抗効果素子51からの読み出しは、MOS−FET52
により磁気抵抗効果素子51を選択して、その抵抗値か
ら磁気抵抗効果素子51のメモリ層に記録された磁化方
向を読み取る。
As shown in FIG. 5, in this configuration example, one end of a magnetoresistive element 51 of the present invention is connected to the drain electrode of a MOS-FET 52 formed on a Si substrate (not shown), and the other end is connected. It is connected to the bit line 53. In writing to the magnetoresistive element 51, a current is applied to the bit line 53 and the word line 54 at the same time.
This is performed for one memory layer as the magnetization direction. On the other hand, reading from the magnetoresistive element 51 is performed by the MOS-FET 52.
, The magnetization direction recorded in the memory layer of the magnetoresistive element 51 is read from the resistance value.

【0063】次に、本発明の磁気抵抗効果素子をマトリ
ックス状に配置して磁気薄膜メモリを構成する場合のメ
モリ・セルの配列構造について説明する。
Next, a description will be given of an array structure of memory cells when the magnetoresistive elements of the present invention are arranged in a matrix to form a magnetic thin film memory.

【0064】図6は、本発明の磁気抵抗効果素子をマト
リックス状に配置した磁気薄膜メモリの一構成例を示す
図である。なお、図6においては、MOS−FET部が
省略されている。
FIG. 6 is a diagram showing an example of the configuration of a magnetic thin film memory in which the magnetoresistance effect elements of the present invention are arranged in a matrix. In FIG. 6, the MOS-FET section is omitted.

【0065】図6に示すように本構成例においては、水
平平面内の平行なワード線601〜603として機能す
る1組の導電線と、他の水平平面内の平行なセンス線6
11〜613として機能する1組の導電線と、センス線
611〜613の下に絶縁層(不示図)を介して配置さ
れたワード線604〜606として機能する1組の導電
線とが設けられており、本発明の磁気抵抗効果素子が、
ワード線601〜603とセンス線611〜613との
間に垂直に間隔をあけた交差領域内におけるワード線6
01〜603とセンス線611〜613との各交差点に
位置している。なお、ワード線601〜603とセンス
線611〜613とは、上から見たときに互いに交差す
るように、例えば、上から見たときに互いに直角となる
ように配置されている。
As shown in FIG. 6, in the present configuration example, one set of conductive lines functioning as parallel word lines 601 to 603 in a horizontal plane and a parallel sense line 6 in another horizontal plane are provided.
A set of conductive lines functioning as 11 to 613 and a set of conductive lines functioning as word lines 604 to 606 are provided below sense lines 611 to 613 via an insulating layer (not shown). The magnetoresistance effect element of the present invention,
Word line 6 in the crossing region vertically spaced between word lines 601 to 603 and sense lines 611 to 613
It is located at each intersection between 01-603 and sense lines 611-613. Note that the word lines 601 to 603 and the sense lines 611 to 613 are arranged to cross each other when viewed from above, for example, to be perpendicular to each other when viewed from above.

【0066】ワード線601〜606は、主に信号を記
録するために設けられ、また、センス線611〜613
は、主に再生信号を取り出すために設けられている。
Word lines 601 to 606 are provided mainly for recording signals, and sense lines 611 to 613 are provided.
Is provided mainly for extracting a reproduction signal.

【0067】上記のように構成されたメモリ・セルアレ
イは、他の回路が存在するシリコン基板等の基板上に形
成することができる。また、図示されていないが、交差
領域以外の領域では、ビット線(不図示)とワード線6
01〜603との間に通常、絶縁材料の層が設けられて
いる。
The memory cell array configured as described above can be formed on a substrate such as a silicon substrate on which other circuits exist. Although not shown, a bit line (not shown) and a word line 6
Usually, a layer of an insulating material is provided between 01 and 603.

【0068】[0068]

【発明の効果】以上説明したように本発明においては、
第1磁性層と、薄膜の絶縁体で形成されたトンネル障壁
層と、第2磁性層とが順次積層された磁性トンネル接合
を具備し、第1磁性層と第2磁性層との間にトンネル障
壁層を介してトンネル電流を流す磁気抵抗効果素子にお
いて、第2磁性層を構成する材料の酸化物または窒化物
で形成された酸化物層または窒化物層と、酸化物層また
は窒化物層上に配置され、絶縁体で形成された絶縁層と
が、第2磁性層のトンネル電流が流れる領域を限定する
ように配置されている。
As described above, in the present invention,
A magnetic tunnel junction in which a first magnetic layer, a tunnel barrier layer formed of a thin insulator, and a second magnetic layer are sequentially stacked, and a tunnel is provided between the first magnetic layer and the second magnetic layer. In a magnetoresistive element in which a tunnel current flows through a barrier layer, an oxide layer or a nitride layer formed of an oxide or a nitride of a material constituting a second magnetic layer, and an oxide layer or a nitride layer on the oxide layer or a nitride layer And an insulating layer formed of an insulator is arranged so as to limit a region of the second magnetic layer through which a tunnel current flows.

【0069】また、本発明に従えば、上記のように構成
された磁気抵抗効果素子は、第1磁性層、トンネル障壁
層及び第2磁性層を順次積層する工程と、第2磁性層の
うちトンネル電流が流れる領域以外を一部残してエッチ
ング除去する工程と、第2磁性層のうちエッチング除去
されずに残った領域を酸化または窒化して酸化物層また
は窒化物層を形成する工程と、酸化物層または窒化物層
上に絶縁層を形成するする工程とを含む製造方法により
製造される。
Further, according to the present invention, the magnetoresistive element having the above-described configuration includes a step of sequentially laminating a first magnetic layer, a tunnel barrier layer, and a second magnetic layer; A step of etching away leaving a part other than a region where a tunnel current flows, and a step of oxidizing or nitriding a region of the second magnetic layer that is not etched away to form an oxide layer or a nitride layer; Forming an insulating layer on the oxide layer or the nitride layer.

【0070】このように、第2磁性層のうちトンネル電
流が流れる領域以外を一部残してエッチング除去し、残
った第2磁性層を酸化または窒化して高抵抗化すること
により、第2磁性層をエッチングする際の許容範囲が従
来技術と比較して大幅に広がるため、第1磁性層や基板
側電極をエッチングすることがなくなる。
As described above, the second magnetic layer is etched away while leaving a portion other than the region where the tunnel current flows, and the remaining second magnetic layer is oxidized or nitrided to increase the resistance, thereby increasing the second magnetic layer. Since the allowable range when etching the layer is greatly expanded as compared with the related art, the first magnetic layer and the substrate-side electrode are not etched.

【0071】これにより、エッチング工程時に第1磁性
層や基板側電極の構成材料がトンネル障壁層側部に付着
することなく磁気抵抗効果素子を製造することが可能と
なるため、トンネル障壁層側部の付着物に起因する電気
的な短絡を回避することができる。また、エッチングす
る際の許容範囲が広がるため、再現性よくエッチングす
ることができ、磁気抵抗効果素子製造時の歩留まりを大
幅に向上させることができるとともに、良好な磁気特性
を持つ磁気抵抗効果素子を再現性よく製造することがで
きる。
This makes it possible to manufacture the magnetoresistive element without the constituent materials of the first magnetic layer and the substrate-side electrode adhering to the tunnel barrier layer side during the etching step. It is possible to avoid an electrical short circuit caused by the deposits. In addition, since the allowable range when etching is widened, etching can be performed with good reproducibility, and the yield at the time of manufacturing the magnetoresistive element can be greatly improved. It can be manufactured with good reproducibility.

【0072】また、第2磁性層上に、第2磁性層の面積
よりも大きな面積を具備し、かつ、第2磁性層との接合
部では第2磁性層と磁気的に結合している第3磁性層を
設けた場合には、記憶保持に必要な保持力を第2磁性層
及び第3磁性層の合成保磁力で賄うことができるため、
その分第2磁性層を薄く形成することが可能となる。し
たがって、第2磁性層のエッチング量が少なくなるた
め、エッチングの深さ制御の精度が向上し、更に、製造
時の歩留まりを大幅に向上させることが可能となる。
The second magnetic layer has an area larger than the area of the second magnetic layer on the second magnetic layer, and is magnetically coupled to the second magnetic layer at the junction with the second magnetic layer. In the case where the three magnetic layers are provided, the coercive force required for storing data can be covered by the combined coercive force of the second magnetic layer and the third magnetic layer.
As a result, the second magnetic layer can be formed thin. Therefore, since the etching amount of the second magnetic layer is reduced, the accuracy of controlling the etching depth is improved, and the yield during manufacturing can be significantly improved.

【0073】また、第3磁性層を設けた場合には、高密
度メモリを実現するために第2磁性層を微細化しても、
第2磁性層と第3磁性層とが磁気的に結合しているた
め、第2磁性層において微細化に伴う磁化のカーリング
発生を抑圧することができる。したがって、第2磁性層
を微細化しても、トンネル障壁層を介して対抗する第1
磁性層との間で磁化方向を平行または反平行状態にでき
るため、高集積化された磁気抵抗効果素子及び磁気薄膜
メモリ(MRAM)を実現することができる。
When the third magnetic layer is provided, even if the second magnetic layer is miniaturized to realize a high density memory,
Since the second magnetic layer and the third magnetic layer are magnetically coupled, it is possible to suppress the occurrence of curling of magnetization due to miniaturization in the second magnetic layer. Therefore, even if the second magnetic layer is miniaturized, the first magnetic layer which is opposed via the tunnel barrier layer is formed.
Since the magnetization direction can be made parallel or anti-parallel with the magnetic layer, a highly integrated magnetoresistive element and magnetic thin film memory (MRAM) can be realized.

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

【図1】本発明の磁気抵抗効果素子の第1の実施の形態
を示す断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a first embodiment of a magnetoresistive element according to the present invention.

【図2】図1に示した磁気抵抗効果素子の製造工程を説
明するための図である。
FIG. 2 is a diagram for explaining a manufacturing process of the magnetoresistance effect element shown in FIG.

【図3】本発明の磁気抵抗効果素子の第2の実施の形態
を示す断面図である。
FIG. 3 is a sectional view showing a second embodiment of the magnetoresistive element of the present invention.

【図4】本発明の磁気抵抗効果素子の第3の実施の形態
を示す断面図である。
FIG. 4 is a sectional view showing a third embodiment of the magnetoresistive element of the present invention.

【図5】本発明の磁気抵抗効果素子とMOSトランジス
タ(MOS−FET)とを組み合わせた磁気薄膜メモリ
の一構成例を示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing a configuration example of a magnetic thin film memory in which a magnetoresistive element of the present invention and a MOS transistor (MOS-FET) are combined.

【図6】本発明の磁気抵抗効果素子をマトリックス状に
配置した磁気薄膜メモリの一構成例を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing a configuration example of a magnetic thin film memory in which the magnetoresistive elements of the present invention are arranged in a matrix.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 基板側電極 2 第1磁性層 3 トンネル障壁層 4 第2磁性層 5 上部電極 6 酸化物層 7 絶縁層 21 レジストパターン 22 素子部 31 第3磁性層 41 反強磁性層 601〜606 ワード線 611〜613 センス線 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate side electrode 2 1st magnetic layer 3 Tunnel barrier layer 4 2nd magnetic layer 5 Upper electrode 6 Oxide layer 7 Insulating layer 21 Resist pattern 22 Element part 31 Third magnetic layer 41 Antiferromagnetic layer 601-606 Word line 611 ~ 613 Sense line

───────────────────────────────────────────────────── 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) H01F 10/32 H01F 10/32 H01L 43/12 H01L 43/12 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) H01F 10/32 H01F 10/32 H01L 43/12 H01L 43/12

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 第1磁性層と、薄膜の絶縁体で形成され
たトンネル障壁層と、第2磁性層とが順次積層された磁
性トンネル接合を具備し、前記第1磁性層と前記第2磁
性層との間に前記トンネル障壁層を介してトンネル電流
を流す磁気抵抗効果素子において、 前記第2磁性層を構成する材料の酸化物で形成された酸
化物層と、 前記酸化物層上に配置され、絶縁体で形成された絶縁層
とが、前記第2磁性層の前記トンネル電流が流れる領域
を限定するように配置されていることを特徴とする磁気
抵抗効果素子。
1. A magnetic tunnel junction comprising a first magnetic layer, a tunnel barrier layer formed of a thin-film insulator, and a second magnetic layer, which are sequentially stacked, wherein the first magnetic layer and the second magnetic layer In a magnetoresistive effect element that causes a tunnel current to flow between the magnetic layer and the magnetic layer via the tunnel barrier layer, an oxide layer formed of an oxide of a material forming the second magnetic layer; A magnetoresistive element, wherein the magnetoresistance effect element is arranged so as to limit an area of the second magnetic layer through which the tunnel current flows, and an insulating layer formed of an insulator.
【請求項2】 第1磁性層と、薄膜の絶縁体で形成され
たトンネル障壁層と、第2磁性層とが順次積層された磁
性トンネル接合を具備し、前記第1磁性層と前記第2磁
性層との間に前記トンネル障壁層を介してトンネル電流
を流す磁気抵抗効果素子において、 前記第2磁性層を構成する材料の窒化物で形成された窒
化物層と、 前記窒化物層上に配置され、絶縁体で形成された絶縁層
とが、前記第2磁性層の前記トンネル電流が流れる領域
を限定するように配置されていることを特徴とする磁気
抵抗効果素子。
2. A magnetic tunnel junction comprising a first magnetic layer, a tunnel barrier layer formed of a thin-film insulator, and a second magnetic layer sequentially stacked, wherein the first magnetic layer and the second magnetic layer A magnetoresistive effect element that allows a tunnel current to flow between the magnetic layer and the tunnel barrier layer via the tunnel barrier layer; a nitride layer formed of a nitride of a material forming the second magnetic layer; A magnetoresistive element, wherein the magnetoresistance effect element is arranged so as to limit an area of the second magnetic layer through which the tunnel current flows, and an insulating layer formed of an insulator.
【請求項3】 前記第1磁性層及び第2磁性層は、垂直
磁気異方性を持つ磁性体で形成され、層厚方向に磁化さ
れることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の
磁気抵抗効果素子。
3. The method according to claim 1, wherein the first magnetic layer and the second magnetic layer are formed of a magnetic material having perpendicular magnetic anisotropy, and are magnetized in a layer thickness direction. The magnetoresistive effect element according to the above.
【請求項4】 前記第1磁性層と前記第2磁性層とは、
保磁力が互いに異なることを特徴とする請求項1乃至3
のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子。
4. The first magnetic layer and the second magnetic layer,
4. The coercive force is different from each other.
The magnetoresistive element according to any one of the above items.
【請求項5】 前記第2磁性層の前記トンネル障壁層と
接合する側と反対面で前記第2磁性層に接合されるとと
もに、前記第2磁性層の面積よりも大きな面積を具備
し、かつ、前記第2磁性層との接合部では前記第2磁性
層と磁気的に結合している第3磁性層を有することを特
徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の磁気抵
抗効果素子。
5. The second magnetic layer is joined to the second magnetic layer on a surface opposite to a side joined to the tunnel barrier layer, and has an area larger than an area of the second magnetic layer; 5. The magnetoresistive device according to claim 1, further comprising a third magnetic layer magnetically coupled to the second magnetic layer at a junction with the second magnetic layer. Effect element.
【請求項6】 前記第1磁性層の前記トンネル障壁層と
接合する側と反対面で前記第1磁性層に接合される反強
磁性層を有することを特徴とする請求項1乃至4のいず
れか1項に記載の磁気抵抗効果素子。
6. The semiconductor device according to claim 1, further comprising an antiferromagnetic layer joined to said first magnetic layer on a surface of said first magnetic layer opposite to a side joined to said tunnel barrier layer. 2. The magnetoresistive element according to claim 1.
【請求項7】 請求項1に記載の磁気抵抗効果素子の製
造方法であって、 前記第1磁性層、前記トンネル障壁層及び前記第2磁性
層を順次積層する工程と、 前記第2磁性層のうち前記トンネル電流が流れる領域以
外を一部残してエッチング除去する工程と、 前記第2磁性層のうちエッチング除去されずに残った領
域を酸化して前記酸化物層を形成する工程と、 前記酸化物層上に前記絶縁層を形成する工程とを有する
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。
7. The method according to claim 1, wherein the first magnetic layer, the tunnel barrier layer, and the second magnetic layer are sequentially stacked; and the second magnetic layer. A step of etching and removing a part of the second magnetic layer that is not removed by etching, leaving a portion other than a region where the tunnel current flows; and a step of forming the oxide layer by oxidizing a region of the second magnetic layer that is not removed by etching. Forming the insulating layer on an oxide layer.
【請求項8】 請求項2に記載の磁気抵抗効果素子の製
造方法であって、 前記第1磁性層、前記トンネル障壁層及び前記第2磁性
層を順次積層する工程と、 前記第2磁性層のうち前記トンネル電流が流れる領域以
外を一部残してエッチング除去する工程と、 前記第2磁性層のうちエッチング除去されずに残った領
域を窒化して前記窒化物層を形成する工程と、 前記窒化物層上に前記絶縁層を形成する工程とを有する
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。
8. The method for manufacturing a magnetoresistive element according to claim 2, wherein the first magnetic layer, the tunnel barrier layer, and the second magnetic layer are sequentially stacked, and the second magnetic layer is formed. Forming a nitride layer by etching a portion of the second magnetic layer that has not been removed by etching, leaving a portion other than the region through which the tunnel current flows; Forming the insulating layer on a nitride layer.
【請求項9】 請求項1乃至6のいずれか1項に記載の
磁気抵抗効果素子を用いて情報を記録、再生することを
特徴とする磁気薄膜メモリ。
9. A magnetic thin film memory for recording and reproducing information by using the magnetoresistive element according to claim 1. Description:
【請求項10】 請求項7または請求項8に記載の磁気
抵抗効果素子の製造方法により製造された磁気抵抗効果
素子を用いて情報を記録、再生することを特徴とする磁
気薄膜メモリ。
10. A magnetic thin film memory which records and reproduces information using a magnetoresistive element manufactured by the method of manufacturing a magnetoresistive element according to claim 7.
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