JP2002299574A - Magnetic storage element, magnetic storage device and portable terminal - Google Patents

Magnetic storage element, magnetic storage device and portable terminal

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JP2002299574A
JP2002299574A JP2001095976A JP2001095976A JP2002299574A JP 2002299574 A JP2002299574 A JP 2002299574A JP 2001095976 A JP2001095976 A JP 2001095976A JP 2001095976 A JP2001095976 A JP 2001095976A JP 2002299574 A JP2002299574 A JP 2002299574A
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正之 砂井
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健太郎 中島
Shigeki Takahashi
茂樹 高橋
Tatsuya Kishi
達也 岸
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve power consumption, crosstalk and EM at the time of writing, in a magnetic storage element or a magnetic storage device. SOLUTION: Two write lines 2 and 3 are arranged in parallel in the vicinity of a TMR cell 1 and the easy axis of magnetization of the TMR cell 1 is inclined 45 deg. against the write lines. Two write lines 2 and 3 are provided with a magnetic shield 4 for interrupting the influence of external magnetic field at least in the vicinity of the TMR cell 1.

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、磁気記憶素子、磁
気記憶装置およびそれを用いた携帯端末装置に関する。
The present invention relates to a magnetic storage element, a magnetic storage device, and a portable terminal device using the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、2つの磁性金属層の間に一層の誘
電体を挿入したサンドイッチ膜において、膜面に垂直方
向にトンネル電流を流し、このトンネル電流を利用して
抵抗変化を読み取ることのできる磁気抵抗効果素子、い
わゆる強磁性トンネル接合素子(TMR素子)が見出さ
れている。
2. Description of the Related Art In recent years, in a sandwich film in which one layer of dielectric is inserted between two magnetic metal layers, a tunnel current is caused to flow in a direction perpendicular to the film surface, and the resistance change is read using the tunnel current. A possible magnetoresistive element, a so-called ferromagnetic tunnel junction element (TMR element) has been found.

【0003】強磁性トンネル接合は、20%以上の磁気
抵抗変化率が得られるようになったことから(J. Appl.
Phys. 79,4724(1996)参照)、磁気へッドや磁気抵抗効
果記憶装置(USP 5,640,343, USP 5,734,605 参照)へ
の応用の可能性が高まってきた。この強磁性トンネル接
合は、薄い0.4nm〜2.0nm厚のAl層を強磁性
電極上に成膜した後、表面を純酸素または酸素グロー放
電、または酸素ラジカルに曝すことによつて、AlO
からなるトンネルバリア層を形成している。
[0003] The ferromagnetic tunnel junction can obtain a magnetoresistance ratio of 20% or more (J. Appl.
Phys. 79, 4724 (1996)), and the possibility of application to magnetic heads and magnetoresistive storage devices (see US Pat. Nos. 5,640,343 and 5,734,605) has increased. This ferromagnetic tunnel junction is formed by forming a thin Al layer having a thickness of 0.4 nm to 2.0 nm on a ferromagnetic electrode and then exposing the surface to pure oxygen or an oxygen glow discharge or oxygen radicals. x
Is formed.

【0004】また、上記強磁性1重トンネル接合の一方
の強磁性層に反強磁性層を付与し、その一方の強磁性層
を磁化固定層とした構造を有する強磁性1重トンネル接
合が提案されている(特開平10−4227参照)。し
かし、この強磁性トンネル接合素子(強磁性1重トンネ
ル接合)でも、所望の出力電圧値を得るため強磁性トン
ネル接合素子に印加する電圧値を増やすと磁気抵抗変化
率(MR比)がかなり減少するという問題が同様に存在
する。
Further, a ferromagnetic single tunnel junction having a structure in which an antiferromagnetic layer is provided on one of the ferromagnetic layers of the above ferromagnetic single tunnel junction and one of the ferromagnetic layers is a fixed magnetization layer has been proposed. (See Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-4227). However, even with this ferromagnetic tunnel junction device (ferromagnetic single tunnel junction), when the voltage value applied to the ferromagnetic tunnel junction device is increased to obtain a desired output voltage value, the magnetoresistance ratio (MR ratio) is considerably reduced. The problem of doing so also exists.

【0005】また、誘電体中に分散した磁性粒子を介し
た強磁性トンネル接合、または、強磁性2重トンネル接
合が提案されている(特願平9−260743、Phys.
Rev.B 56(10),R5747(1997)、応用磁気学会誌23,4-2,(1
999)、Appl. Phys. Lett. 73(19),2829(1998)参照)。
これらにおいても、20%以上の磁気抵抗変化率が得ら
れるようになったことから、磁気へッドや磁気抵抗効果
記憶装置への応用の可能性が出てきた。
Also, a ferromagnetic tunnel junction or a ferromagnetic double tunnel junction via magnetic particles dispersed in a dielectric has been proposed (Japanese Patent Application No. 9-260743, Phys.
Rev.B 56 (10), R5747 (1997), Journal of the Japan Society of Applied Magnetics 23,4-2, (1
999), Appl. Phys. Lett. 73 (19), 2829 (1998)).
Also in these, since a magnetoresistance change rate of 20% or more can be obtained, the possibility of application to a magnetic head or a magnetoresistance storage device has emerged.

【0006】これら強磁性2重トンネル接合では、強磁
性1重トンネル接合に比べて、バイアス電圧にともなう
MR比の低下が少ないため、大きな出力が得られるとい
う特徴を有している。
[0006] These ferromagnetic double tunnel junctions are characterized in that a large output is obtained because the MR ratio is less reduced with a bias voltage than a ferromagnetic single tunnel junction.

【0007】これら強磁性1重および2重トンネル接合
を用いた磁気記憶素子は不揮発であり、書き込み読み出
し時間が10 nsec 以下と速く,書き換え回数が1015
回以上、セルサイズもDRAM並みに小さくできる潜在
能力を有する。
The magnetic storage element using these ferromagnetic single and double tunnel junctions is nonvolatile, has a fast write / read time of 10 nsec or less, and has a rewrite frequency of 10 15.
More than once, the cell size has the potential to be as small as DRAM.

【0008】特に、強磁性2重トンネル接合を用いた磁
気記憶素子は、上述したように、所望の出力電圧値を得
るため強磁性トンネル接合素子に印加する電圧値を増や
しても磁気抵抗変化率の減少が抑えられるため、大きな
出力電圧がとれ、磁気記憶素子として好ましい特性を示
す。
In particular, as described above, in a magnetic memory element using a ferromagnetic double tunnel junction, even if the voltage value applied to the ferromagnetic tunnel junction element is increased in order to obtain a desired output voltage value, the rate of change in magnetoresistance is increased. Is suppressed, a large output voltage can be obtained, and the magnetic storage element exhibits preferable characteristics.

【0009】しかし、これら強磁性1重および2重トン
ネル接合を用いた磁気記憶素子は、強磁性体を用いてい
るため、大容量化し強磁性トンネル接合のセル幅を小さ
くすると、FeRAM、フラッシュメモリ等の競合メモ
リに比べて、書き込み時の消費電力が大きいという問題
が存在する。
However, since the magnetic storage element using the ferromagnetic single and double tunnel junctions uses a ferromagnetic material, if the capacity is increased and the cell width of the ferromagnetic tunnel junction is reduced, FeRAM, flash memory There is a problem that power consumption at the time of writing is larger than that of competing memories such as.

【0010】スイッチング磁界が増大すると,書込み時
の消費電力が増大するばかりか,磁気ランダムアクセス
メモリ(MRAM)を高密度化し,設計ルールを小さく
した場合,スピンを反転させるためにワード線、ビット
線に流す電流密度が増大し、エレクトロマイグレーショ
ン(EM:Electro-Migration)の問題が生じる。
When the switching magnetic field increases, not only does the power consumption at the time of writing increase, but also when the density of the magnetic random access memory (MRAM) is increased and the design rule is reduced, a word line and a bit line are required to invert the spin. The density of the current flowing through the electrodes increases, and a problem of electro-migration (EM) occurs.

【0011】設計ルールを0.1μmとした場合のTM
Rセル面内方向の電流磁界分布と強度の電磁界シミュレ
ーションの結果から,配線に流す電流密度を5×106
A/cm2を仮定した場合においても、電流磁界の強度
は高々10エルステッド(Oe)のオーダーであること
が分かる。
[0011] TM when the design rule is 0.1 μm
From the results of the electromagnetic field simulation of the current magnetic field distribution and the strength in the R cell plane direction, the current density flowing through the wiring was 5 × 10 6
It can be seen that even when A / cm 2 is assumed, the intensity of the current magnetic field is at most on the order of 10 Oe.

【0012】また,MRAMの容量が1Gbit程度に
なり,隣接セル間が0.1μm程度になると,隣接セル
に印加される磁場は配線上のセルに印加される磁場の約
80%にもおよび,セル間の干渉,いわゆるクロストー
クの問題も生じてくる。
Further, when the capacity of the MRAM becomes about 1 Gbit and the space between adjacent cells becomes about 0.1 μm, the magnetic field applied to the adjacent cells reaches about 80% of the magnetic field applied to the cells on the wiring. Inter-cell interference, so-called crosstalk, also occurs.

【0013】これらクロストークの問題を解決するため
に、隣接セル間の容易軸方向を異なる方向にすることが
提案されている(USP 6,005,800 参照)。この方法を用
いるには、セル形状を正確にばらつき無く形成する必要
がある。しかしながら、MRAMを大容量化しセルサイ
ズを小さくすると、加工精度の制御が困難になり、セル
のスイッチング磁界がばらつき、クロストークを無くす
ことが難しくなると言う問題があった。
In order to solve these crosstalk problems, it has been proposed to make the easy axis directions between adjacent cells different from each other (see US Pat. No. 6,005,800). In order to use this method, it is necessary to form the cell shape accurately and without variation. However, when the capacity of the MRAM is increased and the cell size is reduced, there is a problem that it is difficult to control the processing accuracy, the switching magnetic field of the cell varies, and it becomes difficult to eliminate crosstalk.

【0014】また、スイッチング磁界の大きさは、TM
Rのセルサイズ、セル形状、材料の磁化特性、膜厚等に
依存する。例えば、前述のようにTMRのセルサイズが
小さくなれば,反磁場の影響でスピンの反転磁場が増大
する。
The magnitude of the switching magnetic field is TM
R depends on the cell size, cell shape, magnetization characteristics of the material, film thickness, and the like. For example, as described above, when the cell size of the TMR is reduced, the reversal magnetic field of the spin increases due to the influence of the demagnetizing field.

【0015】セル形状に関しては,矩形のセル形状では
端部に磁区が発生し,ヒステリシスの角型比が悪くなる
とともに、段差状のとびが生じる。また、その磁区ので
き方に依存してスイッチング磁場のばらつきが生じる。
セル形状を楕円形にすると単磁区構造が得られ、MR比
も低下しないが、スイッチング磁界のセルサイズに伴う
増大が大きい。
Regarding the cell shape, in the case of a rectangular cell shape, magnetic domains are generated at the ends, the squareness ratio of hysteresis is deteriorated, and a step-like jump is generated. In addition, the switching magnetic field varies depending on how the magnetic domains are formed.
When the cell shape is made elliptical, a single domain structure is obtained and the MR ratio does not decrease, but the switching magnetic field greatly increases with the cell size.

【0016】また、これらを解決するために略直行した
ビット線とワード線が交差する部分に磁気メモリセルが
あり、そのセルの形状が磁化容易軸に関して非対称であ
ることを特徴とした構造、容易軸を多少配線方向から傾
けた構造が提案されている(USP 6,104,633 参照)。
In order to solve these problems, a magnetic memory cell is provided at a portion where a bit line and a word line which are substantially perpendicular to each other intersect, and the shape of the cell is asymmetric with respect to the axis of easy magnetization. A structure in which the axis is slightly inclined from the wiring direction has been proposed (see US Pat. No. 6,104,633).

【0017】しかし、形状制御は前述した様にMRAM
を大容量化しセルサイズが小さくなると、加工精度を制
御することができないという問題があり、セルのスイッ
チング磁界がばらついてしまうという問題があった。
However, the shape control is performed by the MRAM as described above.
When the cell size is increased and the cell size is reduced, the processing accuracy cannot be controlled, and the switching magnetic field of the cell varies.

【0018】また、セルの容易軸を多少配線方向から傾
けた構造においてスイッチング磁界は低減されるが、大
容量化した場合クロストークの問題が深刻化する。
Although the switching magnetic field is reduced in the structure in which the easy axis of the cell is slightly inclined from the wiring direction, the problem of crosstalk becomes serious when the capacity is increased.

【0019】これらの課題(クロストークおよびセル幅
減少に伴うスイッチング磁界増大)を解決するために
は,配線に磁気シールドを付与する必要があると考えら
れている。磁気シールドを配線に付与すると(USP 5,65
9,499、 USP 5,940,319、WO 200010172 参照)、電流磁
界の値が増大するばかりでなく,上記クロストークの問
題も解決できるからである。
In order to solve these problems (crosstalk and increase in switching magnetic field due to decrease in cell width), it is considered that it is necessary to provide a magnetic shield to the wiring. When a magnetic shield is added to wiring (USP 5,65
9,499, US Pat. No. 5,940,319, and WO 200010172), because not only the value of the current magnetic field increases, but also the problem of the crosstalk can be solved.

【0020】ビット線とワード線の断面アスペクト比を
1:2、ビット線およびワード線と記録層間の距離をそ
れそれ10nm、50nmと仮定し,それらに流す電流
の電流密度として現実的な2.5×106A/cm2と仮
定した場合に、TMRセルに生じる電流磁界は87エル
ステッド(Oe)となる。しかし、MR比が大きいCo
−Feの内,最もソフトであるCo90Fe10を用いても
セル巾を0.1μm以下にするとスイッチング磁界は約
200エルステッド(Oe)に達し、1GbitMRAM
実現のためには更なる新しいセル構造、メモリ構造が必
要となる。
Assuming that the cross-sectional aspect ratio of the bit line and the word line is 1: 2, and the distance between the bit line and the word line and the recording layer is 10 nm and 50 nm, respectively. Assuming 5 × 10 6 A / cm 2 , the current magnetic field generated in the TMR cell is 87 Oe. However, Co with a large MR ratio
Even if Co 90 Fe 10 , which is the softest among Fe, is used and the cell width is 0.1 μm or less, the switching magnetic field is about
200 Oersted (Oe), 1 Gbit MRAM
To realize this, a new cell structure and memory structure are required.

【0021】また、HDD用磁気ヘッド材料として強磁
性トンネル接合を用いる場合、バルクハウゼンノイズを
低減するため強磁性トンネル接合に隣接してハードバイ
アス層を設けた構造(USP 5,729,410、USP 5,966,012
参照)が提案されている。しかしながら、スイッチング
磁界の低減には、ハードバイアス層を用いることは好ま
しくない。
When a ferromagnetic tunnel junction is used as a magnetic head material for an HDD, a structure in which a hard bias layer is provided adjacent to the ferromagnetic tunnel junction in order to reduce Barkhausen noise (USP 5,729,410, USP 5,966,012).
See). However, it is not preferable to use a hard bias layer to reduce the switching magnetic field.

【0022】[0022]

【発明が解決しようとする課題】上述したように、MR
AMは、大容量化した場合、FeRAM、フラッシュメ
モリ等の競合メモリに比べて、書き込み時の消費電力が
大きいという問題、クロストークの問題、エレクトロマ
イグレーション(EM)の問題があった。
SUMMARY OF THE INVENTION As described above, the MR
When the capacity of the AM is increased, there is a problem that power consumption at the time of writing is large, a problem of crosstalk, and a problem of electromigration (EM) as compared with competing memories such as FeRAM and flash memory.

【0023】本発明は、これら課題を解決するためにな
されたものであり、書込み時の消費電力を低減し、クロ
ストークの無い、EMの問題も生じないメモリ構造およ
び配線構造を備えた磁気記憶素子、磁気記憶装置及びこ
れを用いた携帯端末装置を提供することを課題とする。
The present invention has been made to solve these problems, and has a magnetic memory having a memory structure and a wiring structure which reduce power consumption at the time of writing, have no crosstalk, and do not cause the problem of EM. It is an object to provide an element, a magnetic storage device, and a portable terminal device using the same.

【0024】[0024]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の第1の磁気記憶素子は、第1の書き込み線
と、前記第1の書込み線の直上に備えられ、少なくとも
1つのトンネルバリア層と、少なくとも2つの強磁性層
と、少なくとも1つの反強磁性層とを有し、磁化容易軸
が前記第1の書き込み線と略45°の角度を有する強磁
性トンネル接合膜と、前記強磁性トンネル接合膜の上面
に接続され、少なくとも前記強磁性トンネル接合膜の近
傍で前記第1の書き込み線と平行な第2の書き込み線と
を具備することを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problems, a first magnetic storage element of the present invention is provided with a first write line and at least one of the first write line and the first write line. A ferromagnetic tunnel junction film having a tunnel barrier layer, at least two ferromagnetic layers, and at least one antiferromagnetic layer, wherein an easy axis of magnetization has an angle of about 45 ° with the first write line; A second write line connected to the upper surface of the ferromagnetic tunnel junction film and parallel to the first write line at least near the ferromagnetic tunnel junction film is provided.

【0025】また、本発明の第2の磁気記憶素子は、少
なくとも1つのトンネルバリア層と、磁気記録層を含む
少なくとも2つの強磁性層と、少なくとも1つの反強磁
性層とを有する強磁性トンネル接合膜と、前記強磁性ト
ンネル接合膜の磁化容易軸方向の両端に備えられた、前
記磁気記録層より軟磁性を示すソフト磁性バイアス層と
を具備することを特徴とする。
According to a second magnetic memory element of the present invention, there is provided a ferromagnetic tunnel having at least one tunnel barrier layer, at least two ferromagnetic layers including a magnetic recording layer, and at least one antiferromagnetic layer. It is characterized by comprising a bonding film, and a soft magnetic bias layer that is softer than the magnetic recording layer and is provided at both ends of the ferromagnetic tunnel junction film in the easy axis direction.

【0026】[0026]

【発明の実施の形態】実施形態の説明に先立ち本発明の
骨子を説明する。本発明の第1の磁気記憶素子は、少な
くとも1つのトンネルバリア層と、少なくとも2つの強
磁性層と少なくとも1つの反強磁性層を有する強磁性ト
ンネル接合を有する記録セルと記録セルの上下に平行に
配置された2つの書きこみ配線を有し、この2つの書き
こみ配線と記録セルの長軸(磁化容易軸)方向が略45
°の方向を有していることを特徴としている。さらに、
上記2つの書きこみ配線は磁気シールド材料で囲まれて
いることを特徴とする。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Prior to the description of the embodiments, the gist of the present invention will be described. A first magnetic storage element according to the present invention includes a recording cell having at least one tunnel barrier layer, a ferromagnetic tunnel junction having at least two ferromagnetic layers and at least one antiferromagnetic layer, and a recording cell parallel to the recording cell. And the long axis (easy axis of magnetization) of the two write wirings and the recording cell are approximately 45 degrees.
°. further,
The above two write wirings are surrounded by a magnetic shield material.

【0027】本発明の磁気記憶素子は、図1に示すよう
に、強磁性トンネル接合(TMR)セル1の上下の配線
(ビット線2および書き込みワード線3)は少なくとも
TMRセル1の上下の位置において互いに略平行に配置
され、その配線方向に対してTMRセル1の磁化容易軸
が略45°の方向を向くように配置されている。また、
上記配線のTMRセル1の上下にTMRセル長手方向の
1.2倍以上の配線長さに渡つて、配線にシールド材4
が付与されている。なお、参照番号5はビット線2に直
交する読み出しワード線、あるいはトランジスタ、ダイ
オード等の導通制御素子に接続する配線、6は配線5と
書き込みワード線を絶縁する絶縁層である。TMR素子
1はビット線2と配線5の間に挟持され接続されてい
る。
In the magnetic storage element of the present invention, as shown in FIG. 1, the upper and lower wirings (bit line 2 and write word line 3) of the ferromagnetic tunnel junction (TMR) cell 1 are at least positioned above and below the TMR cell 1. And the TMR cell 1 is arranged such that the easy axis of magnetization of the TMR cell 1 is oriented at approximately 45 ° with respect to the wiring direction. Also,
A shield material 4 is provided above and below the TMR cell 1 of the wiring over a wiring length of 1.2 times or more the longitudinal direction of the TMR cell.
Is given. Reference numeral 5 denotes a read word line orthogonal to the bit line 2 or a wiring connected to a conduction control element such as a transistor or a diode. Reference numeral 6 denotes an insulating layer that insulates the wiring 5 from the write word line. The TMR element 1 is sandwiched and connected between the bit line 2 and the wiring 5.

【0028】これに対し、従来の磁気記憶素子は図16
に示すように、ビット線102と書き込みワード線10
3は直交しており、TMRセル1はその磁化容易軸がビ
ット線方向に向くように、ビット線102と配線105
との間に挟持され接続されている。なお、参照番号10
5は読み出しワード線、あるいはトランジスタ、ダイオ
ード等の導通制御素子に接続する配線、106は配線1
05と書き込みワード線103を絶縁する絶縁層であ
る。
On the other hand, the conventional magnetic storage element is shown in FIG.
As shown in FIG.
3 are orthogonal to each other, and the TMR cell 1 is connected to the bit line 102 and the wiring 105 so that the axis of easy magnetization is oriented in the bit line direction.
And are connected between them. Reference number 10
5 is a wiring connected to a read word line or a conduction control element such as a transistor or a diode, and 106 is a wiring 1
An insulating layer that insulates the write word line 103 from the write word line 05.

【0029】本発明の構造を用いた場合、上下の平行配
線に互いに反対方向のパルス電流を流すと、スイッチン
グ磁場曲線が図2に示したように変形し、従来のアステ
ロイド曲線に比べてより小さな磁場で書き込みを行うこ
とができる。
In the case of using the structure of the present invention, when pulse currents in opposite directions are supplied to the upper and lower parallel wirings, the switching magnetic field curve is deformed as shown in FIG. Writing can be performed with a small magnetic field.

【0030】より詳細には、図16に示すような従来の
クロスポイントのアーキテクチャーでは、アステロイド
曲線は図2のBのような曲線になる。この曲線の外側の
磁場が与えられた場合には、スピンの反転が生じる。図
2から明らかなように、上部配線が作る磁場と下部配線
の作る磁場の合成磁場が45°方向のときに、最も小さ
な磁力でスピンの反転が生じることになる。従って、本
発明のように、ビット線1と書き込みワード線3を平行
として、TMR素子1の磁化容易軸を45°傾けると、
図2のAで示すように、スイッチング磁場曲線を小さく
することができる。
More specifically, in the conventional cross-point architecture as shown in FIG. 16, the asteroid curve becomes a curve as shown in FIG. 2B. When a magnetic field outside this curve is applied, a spin reversal occurs. As is clear from FIG. 2, when the combined magnetic field of the magnetic field generated by the upper wiring and the magnetic field generated by the lower wiring is in the 45 ° direction, the spin reversal occurs with the smallest magnetic force. Therefore, as in the present invention, when the bit line 1 and the write word line 3 are made parallel and the easy axis of the TMR element 1 is inclined by 45 °,
As shown by A in FIG. 2, the switching magnetic field curve can be reduced.

【0031】本発明の構造にした場合、配線ルールを
0.1μmまで小さくし、隣接セル間を狭くしても、配
線2、3にシールド材4が付与されていること、スイッ
チング磁場曲線がクロストークに対してより有利な形状
をしているためクロストークの心配がない。
In the case of the structure of the present invention, even if the wiring rule is reduced to 0.1 μm and the space between adjacent cells is narrowed, the shielding material 4 is provided on the wirings 2 and 3 and the switching magnetic field curve shows a crossover. There is no need to worry about cross talk because it has a more advantageous shape for talk.

【0032】この構造の場合、配線2,3に付与するシ
ールド材4の長さは少なくともTMRセル1の長手方向
の長さの1.2倍以上であることが好ましい。この長さ
以上にするとシールド材4が電流磁場を増強する効果も
持たせることができるため、よりスイッチング磁界が小
さくなる方向に、スイッチング磁界曲線を小さくするこ
とができる。
In the case of this structure, the length of the shielding material 4 applied to the wirings 2 and 3 is preferably at least 1.2 times the length of the TMR cell 1 in the longitudinal direction. If the length is longer than this, the shield material 4 can also have the effect of enhancing the current magnetic field, and thus the switching magnetic field curve can be reduced in the direction in which the switching magnetic field becomes smaller.

【0033】上記の構造を実現する具体的な実施形態を
次に説明する。
A specific embodiment for realizing the above structure will be described below.

【0034】(第1の実施形態)図3は、本発明の第1
の実施形態に係る磁気記憶素子を用いたメモリセルアレ
イ(磁気記憶装置)の構成を示した模式的な結線図であ
り、メモリセルにはダイオード、トランジスタ等のスイ
ッチング素子を備えない単純マトリックスのアーキテク
チャである。
(First Embodiment) FIG. 3 shows a first embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a schematic connection diagram illustrating a configuration of a memory cell array (magnetic storage device) using a magnetic storage element according to the embodiment of the present invention. The memory cell has a simple matrix architecture without switching elements such as diodes and transistors. is there.

【0035】複数のビット線BL(第2の書き込み線)
と複数の読み出しワード線WLは略垂直に交差し、各交
差点にはTMRセル1がビット線BLと読み出しワード
線WLの間に接続されている。各ビット線に平行に書き
込みワード線WL´(第1の書き込み線)が設けられて
おり、この書き込みワード線WL´とビット線BLはT
MRセルの容易軸方向と略45度の角度をなして交差し
ている。これらのビット線BL、書き込みワード線WL
´には、図1に示したように、磁気シールドが付与され
ている。上記メモリセルアレイの外側には、読み出しワ
ード線WLを選択するカラムデコーダ11と、ビット線
BL、書き込みワード線WL′を選択するローデコーダ
12が備えられている。
A plurality of bit lines BL (second write line)
And a plurality of read word lines WL intersect substantially vertically, and at each intersection, a TMR cell 1 is connected between the bit line BL and the read word line WL. A write word line WL '(first write line) is provided in parallel with each bit line, and the write word line WL' and the bit line BL
It intersects the easy axis direction of the MR cell at an angle of about 45 degrees. These bit lines BL and write word lines WL
′ Is provided with a magnetic shield as shown in FIG. Outside the memory cell array, a column decoder 11 for selecting a read word line WL and a row decoder 12 for selecting a bit line BL and a write word line WL 'are provided.

【0036】なお、図3において、ビット線BL,読み
出しワード線WL,書き込みワード線WL´は各3本し
か記載されていないが、夫々所望の複数本を備えること
ができる。後述の実施形態における結線図においても同
様である。
Although only three bit lines BL, read word lines WL, and write word lines WL 'are shown in FIG. 3, any desired plural lines can be provided. The same applies to a connection diagram in an embodiment described later.

【0037】上記のように構成することにより、従来よ
り小さい磁場で書き込みが可能になるので、書き込み時
の消費電力が低下し、エレクトロマイグレーションも抑
制され、クロストークの無いメモリ及び配線構造を提供
することができる。
With the above-described structure, writing can be performed with a smaller magnetic field than conventional ones, so that power consumption during writing is reduced, electromigration is suppressed, and a memory and a wiring structure without crosstalk are provided. be able to.

【0038】なお、このアーキテクチャを用いる場合、
ビット線BL,書き込みワード線WL´の抵抗よりTM
Rセルの抵抗が大きくなければいけないため、メモリ1
ブロック当たりのTMRセルの数は10Kbit以下で
あることが好ましく、より好ましくは3Kbit以下と
すべきである。
When using this architecture,
TM from the resistance of the bit line BL and the write word line WL '
Since the resistance of the R cell must be large, the memory 1
The number of TMR cells per block is preferably less than 10 Kbit, more preferably less than 3 Kbit.

【0039】(第2の実施形態)図4は、本発明の第2
の実施形態に係る磁気記憶素子を使用したメモリセルア
レイ(磁気記憶装置)の構成を示した模式的な結線図で
ある。第2の実施形態では、TMRセル1とこれに直列
接続されたダイオード7とからなるメモリセルのマトリ
ックスに、第1の実施形態と同様にビット線BL,ビッ
ト線BLに交差する読み出しワード線WL,ビット線B
Lに平行な書き込みワード線WL´を配したアーキテク
チャである。
(Second Embodiment) FIG. 4 shows a second embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a schematic connection diagram showing a configuration of a memory cell array (magnetic storage device) using the magnetic storage elements according to the embodiment. In the second embodiment, the bit line BL and the read word line WL intersecting the bit line BL are provided in the matrix of the memory cell including the TMR cell 1 and the diode 7 connected in series to the TMR cell 1 as in the first embodiment. , Bit line B
This is an architecture in which write word lines WL 'parallel to L are arranged.

【0040】また、第2の実施形態においても、ビット
線BL,書き込みワード線WL´と、TMRセル1の磁
化容易軸方向とは略45度の角度をなし、ビット線B
L,書き込みワード線WL´には磁気シールド(不図
示)が付与されている。
Also in the second embodiment, the bit line BL and the write word line WL 'make an angle of approximately 45 degrees with the direction of the easy axis of magnetization of the TMR cell 1, and the bit line B
L, a write word line WL 'is provided with a magnetic shield (not shown).

【0041】これにより、第1の実施形態と同様な効果
が得られるとともに、TMR素子1に直列にダイオード
7が付加されたことにより、アクティブマトリックス型
のメモリセルアレイが実現できる。
As a result, the same effect as that of the first embodiment can be obtained, and an active matrix type memory cell array can be realized by adding the diode 7 in series with the TMR element 1.

【0042】(第3の実施形態)図5は、本発明の第3
の実施形態に係る磁気記憶素子を用いたメモリセルアレ
イ(磁気記憶装置)の構成を示した模式的な結線図であ
る。第3の実施形態では、TMRセル1とMOSFET
8からなるメモリセルのマトリックスに、第1の実施形
態と同様にビット線BL,ビット線BLに交差する読み
出しワード線WL,ビット線BLに平行な書き込みワー
ド線WL´を配したアーキテクチャである。
(Third Embodiment) FIG. 5 shows a third embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a schematic connection diagram showing a configuration of a memory cell array (magnetic storage device) using the magnetic storage elements according to the embodiment. In the third embodiment, the TMR cell 1 and the MOSFET
As in the first embodiment, a memory cell matrix composed of eight memory cells includes a bit line BL, a read word line WL crossing the bit line BL, and a write word line WL ′ parallel to the bit line BL.

【0043】このアーキテクチヤにおいても、ビット線
BL,書き込みワード線WL´と、TMRセル1の磁化
容易軸方向とは略45度の角度をなし、ビット線BL,
書き込みワード線WL´には磁気シールド(不図示)が
付与されている。
Also in this architecture, the bit line BL and the write word line WL 'make an angle of approximately 45 degrees with the direction of the easy axis of magnetization of the TMR cell 1;
The write word line WL ′ is provided with a magnetic shield (not shown).

【0044】これにより、第1の実施形態と同様な効果
が得られるとともに、TMR素子1にMOSFET8が
付加されたことにより、アクティブマトリックス型のメ
モリセルアレイが実現できる。
As a result, the same effects as those of the first embodiment can be obtained, and the addition of the MOSFET 8 to the TMR element 1 can realize an active matrix type memory cell array.

【0045】次に、具体例として、MOSFETとTM
Rセルの本実施形態のメモリセルを用いて、3×3セル
マトリックスのテストエレメント(TEG1)を作製し
た例を示す。比較のため、図16に示した通常のMOS
FETとTMRセルのアーキテクチャで3×3セルマト
リックス構造のテストエレメント(TEG2)を作製
し、スイッチング磁界特性を比較した。配線はAl−C
u配線を用い、配線ルールは0.175μm、配線断面
のアスペクト比は1:2とし縦長の配線を用いた。
Next, as a specific example, MOSFET and TM
An example in which a 3 × 3 cell matrix test element (TEG1) is manufactured using the memory cell of the present embodiment of the R cell. For comparison, the normal MOS shown in FIG.
A test element (TEG2) having a 3 × 3 cell matrix structure was fabricated using the FET and TMR cell architecture, and the switching magnetic field characteristics were compared. Wiring is Al-C
The u-wiring was used, the wiring rule was 0.175 μm, the aspect ratio of the wiring cross section was 1: 2, and the vertically long wiring was used.

【0046】TMRセルは、両方とも楕円形状とし、本
発明の構造(図1)を用いたTEG1は、配線(ビット
線、書き込みワード線)に対してTMRセルの磁化容易
軸を45°方向に傾けてある。シールド材料としてはN
i−Feを用いCVD法で作製した。各配線を成膜する
前にはCMP処理を行い、TMRセルとビット線BL,
書き込みワード線WL´の間の距離は、両方のテストエ
レメントとも同じに設計した。
Both TMR cells have an elliptical shape, and the TEG 1 using the structure of the present invention (FIG. 1) has the easy axis of magnetization of the TMR cell in the direction of 45 ° with respect to the wiring (bit line, write word line). It is inclined. N as shielding material
Fabricated by a CVD method using i-Fe. Before forming each wiring, a CMP process is performed, and the TMR cell and the bit line BL,
The distance between the write word lines WL 'was designed to be the same for both test elements.

【0047】TMRセルは両方とも、強磁性二重トンネ
ル接合(Ta/Ir−Mn/(CoFe/Ru/CoF
e)/AlOx /Ni−Fe/AlOx /(CoFe/
Ru/CoFe)/Ir−Mn/Ta)を用いている。
Both TMR cells have a ferromagnetic double tunnel junction (Ta / Ir-Mn / (CoFe / Ru / CoF
e) / AlO x / Ni- Fe / AlO x / (CoFe /
Ru / CoFe) / Ir-Mn / Ta).

【0048】TMRセルは超高真空スパッタ装置を用い
成膜を行い、AlOxの作製は、Alを成膜した後、プ
ラズマ酸化を行う方法で作製した。図6は本実施形態の
アーキテクチャを用いた場合のスイッチング磁界曲線C
と、図16の通常のアーキテクチャを用いた場合のスイ
ッチング磁界曲線Dを示したものである。図6に示した
ように、本実施形態のスイッチング磁界曲線は著しく縮
小し、書込み時の消費電力を低減し、クロストークの無
い、エレクトロマイグレーションの問題も生じないメモ
リ構造を提供できることが確認された。
The TMR cell was formed by using an ultra-high vacuum sputtering apparatus, and AlO x was formed by forming Al and then performing plasma oxidation. FIG. 6 shows a switching magnetic field curve C using the architecture of the present embodiment.
17 and a switching magnetic field curve D when the normal architecture of FIG. 16 is used. As shown in FIG. 6, it was confirmed that the switching magnetic field curve of the present embodiment was significantly reduced, the power consumption at the time of writing was reduced, and a memory structure free from crosstalk and free from the problem of electromigration could be provided. .

【0049】(第4の実施形態)図7は、本発明の第4
の実施形態に係る磁気記憶素子を用いたメモリセルアレ
イ(磁気記憶装置)の構成を示した模式的な結線図であ
る。第4の実施形態では、TMRセル1とMOSFET
8からなるメモリセルのマトリックスに、略直交するビ
ット線BL,読み出しワード線WLを配するが、書き込
みワード線WL´は読み出しワード線WLと平行に配置
されており、TMRセル1の上または下を通過する位置
においてのみ、ビット線BLと書き込みワード線WL´
が平行とされたアーキテクチャーである。
(Fourth Embodiment) FIG. 7 shows a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a schematic connection diagram showing a configuration of a memory cell array (magnetic storage device) using the magnetic storage elements according to the embodiment. In the fourth embodiment, the TMR cell 1 and the MOSFET
8, a bit line BL and a read word line WL which are substantially orthogonal to each other are arranged, and a write word line WL 'is arranged in parallel with the read word line WL, and is above or below the TMR cell 1. Only at positions passing through the bit line BL and the write word line WL '.
Is a parallelized architecture.

【0050】図8は、図7中のVIII部の配線状態を
表した摸式的な平面図であり、この場合、ワード線WL
´が下部配線、ビット線BLが上部配線であり、TMR
素子1はビット線BLの下面に接続されており、その磁
化容易軸はビット線BLおよびその下部に絶縁的に配置
されたワード線WL´の部分に対して略45°傾いて配
置されている。
FIG. 8 is a schematic plan view showing the wiring state of the portion VIII in FIG. 7, and in this case, the word line WL
′ Is a lower wiring, a bit line BL is an upper wiring, and TMR
The element 1 is connected to the lower surface of the bit line BL, and the axis of easy magnetization is arranged at an angle of about 45 ° with respect to the bit line BL and the portion of the word line WL ′ insulated therebelow. .

【0051】図9は、図7の1メモリセル部の摸式的な
断面図で、上半分が図8に示した上部配線(BL)と下
部配線(WL´)の位置関係を断面的に示している。即
ち、下部配線(WL´)は図9の右部分では上部配線
(BL)に垂直に配置されているが、図9の中央部では
上部配線(BL)と平行とされ、上部配線との間にTM
R1とダイオード9を挟持した形になっている。但し、
ダイオード9はTMR素子1の抵抗がMOSFET8の
オン抵抗に比べて5倍程度以上大きい場合には不要であ
る。TMR1は、断面図では明らかではないが、その磁
化容易軸が上部配線、下部配線と略45°傾いて配置さ
れている。
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of one memory cell portion of FIG. 7, and the upper half shows the positional relationship between the upper wiring (BL) and the lower wiring (WL ') shown in FIG. Is shown. That is, the lower wiring (WL ′) is arranged perpendicular to the upper wiring (BL) in the right part of FIG. 9, but is parallel to the upper wiring (BL) in the center part of FIG. To TM
R1 and diode 9 are sandwiched. However,
The diode 9 is unnecessary when the resistance of the TMR element 1 is about 5 times or more larger than the on-resistance of the MOSFET 8. Although not clear in the cross-sectional view, the TMR 1 is arranged such that the axis of easy magnetization is inclined by approximately 45 ° with respect to the upper wiring and the lower wiring.

【0052】上記のような構成とすれば、第3の実施形
態と同様な効果が得られるほか、読み出しワード線WL
と書き込みワード線WL´を同一方向に配線すれば良い
ので、ワード線駆動回路(デコーダ)の配置が簡略化で
きる。
With the above configuration, the same effects as those of the third embodiment can be obtained, and the read word line WL
And the write word line WL 'may be wired in the same direction, so that the arrangement of the word line drive circuit (decoder) can be simplified.

【0053】第1乃至第4の実施形態において、メモリ
セルアレイの周りにはビット線BL,読み出しワード線
WL、書き込みワード線WL´を選択するためのカラム
デコーダ11、ローデコーダ12が配置されており、メ
モリブロック毎に配置された参照セル(不図示)と比較
してTMRセルからの信号電圧が大きいか小さいかによ
って“1”か“0”を判断する。
In the first to fourth embodiments, a column decoder 11 and a row decoder 12 for selecting a bit line BL, a read word line WL, and a write word line WL 'are arranged around the memory cell array. , "1" or "0" is determined depending on whether the signal voltage from the TMR cell is higher or lower than a reference cell (not shown) arranged for each memory block.

【0054】参照セルの電圧値は、TMRセルの信号電
圧が高い隣同士のスピン配置が反平衡状態の電圧値と、
信号電圧が小さい隣同士のスピン配置が平衡状態の電圧
値の約中間の電圧値を有する参照セルを用いることが好
ましい。
The voltage value of the reference cell is the same as the voltage value of the TMR cell in which the adjacent spin arrangement having a high signal voltage is in an anti-equilibrium state.
It is preferable to use a reference cell in which the spin arrangement between adjacent signals having a small signal voltage has a voltage value that is approximately halfway between the voltage values in an equilibrium state.

【0055】次に、本発明の第2の磁気記憶素子につい
てその骨子を説明する。本発明の第2は、少なくとも1
つのトンネルバリア層と、少なくとも2つの強磁性層と
少なくとも1つの反強磁性層を有する強磁性トンネル接
合有する記憶セルに記憶セルの磁化容易軸方向にソフト
磁性バイアス層が付与されていることを特徴とした磁気
記憶素子である。
Next, the outline of the second magnetic storage element of the present invention will be described. A second aspect of the present invention is that at least one
A soft magnetic bias layer is provided in a storage cell having a ferromagnetic tunnel junction having one tunnel barrier layer, at least two ferromagnetic layers and at least one antiferromagnetic layer, in the direction of the easy axis of magnetization of the storage cell. The magnetic storage element described above.

【0056】図10はTMRセルを上から見た図面を示
している。本発明では、TMRセル1の記憶層に隣接し
てソフト磁性バイアス層10が付与されている。バイア
ス層10は磁場が無い時(H=0)には、端部にエッジ
ドメインが生じているが、バイアス磁界が与えられると
スピンが反転する。このように、電流磁界に応じてまず
ソフトバイアス層が反転するため、ソフト磁性層からの
バイアス磁界によってTMRセル1のスイッチング磁場
が小さくなる。
FIG. 10 shows a drawing of a TMR cell viewed from above. In the present invention, the soft magnetic bias layer 10 is provided adjacent to the storage layer of the TMR cell 1. When there is no magnetic field (H = 0), the edge layer has an edge domain in the bias layer 10, but the spin is reversed when the bias magnetic field is applied. As described above, since the soft bias layer is first inverted according to the current magnetic field, the switching magnetic field of the TMR cell 1 is reduced by the bias magnetic field from the soft magnetic layer.

【0057】図10には長方形のTMRセル形状が、図
1にはTMRセル形状が楕円形のセルを示したが、セル
形状は長方形、楕円である必要は無い。たとえば、図1
1(a)〜(d)に示したように様々なセル形状を用い
ることができる。図11(a)、(b)は上述の楕円
形、円形であり、図11(c)、(d)は夫々菱形、平
行四辺形の例を示す。ソフトバイアス層としてはどのよ
うな形状を用いても良いが、例えば楕円形、円形、平行
四辺形、菱形を用いた場合は、単磁区構造に近くなるた
め有効にバイアス磁界が印加され、誤動作が少ない。ま
た、円形の場合セル構造が最も小さくできるので好まし
い。
Although FIG. 10 shows a rectangular TMR cell shape and FIG. 1 shows an elliptical TMR cell shape, the cell shape need not be rectangular or elliptical. For example, FIG.
Various cell shapes can be used as shown in 1 (a) to (d). FIGS. 11A and 11B show the above-mentioned elliptical and circular shapes, respectively, and FIGS. 11C and 11D show examples of a rhombus and a parallelogram, respectively. Any shape may be used for the soft bias layer.For example, when an elliptical shape, a circular shape, a parallelogram, or a rhombus is used, a bias magnetic field is effectively applied because the shape is close to a single magnetic domain structure, and malfunction may occur. Few. A circular shape is preferable because the cell structure can be minimized.

【0058】また、サプミクロン以下にソフト磁性層と
TMRセルを制御すると、TMRセルとソフト磁性層の
間に静磁結合が生じる。このため、図11(b)に示し
たようにTMRセル1を細長の形状にしなくても、ソフ
ト磁性層の方向に磁化容易軸を規定できる。そのうえ、
セル面積を小さくできるので、より大容量の磁気記憶装
置(MRAM)が作製できる。これら構造においては、
図11(b)の円形の構造が最も小さなスイッチング磁
界を示す。
When the soft magnetic layer and the TMR cell are controlled to a submicron or less, magnetostatic coupling occurs between the TMR cell and the soft magnetic layer. For this reason, as shown in FIG. 11B, the easy axis of magnetization can be defined in the direction of the soft magnetic layer without making the TMR cell 1 elongated. Besides,
Since the cell area can be reduced, a larger capacity magnetic storage device (MRAM) can be manufactured. In these structures,
The circular structure in FIG. 11B shows the smallest switching magnetic field.

【0059】また、本発明の第1と第2を組み合わせて
使用する時が最もスイッチング磁界が小さく、その場合
ソフトバイアス層同士を結ぶ軸方向を、配線方向と略4
5°方向に傾けることが好ましい。第5の実施形態はそ
のような例である。
When the first and second embodiments of the present invention are used in combination, the switching magnetic field is the smallest. In this case, the axial direction connecting the soft bias layers is substantially equal to the wiring direction.
It is preferable to incline in the direction of 5 °. The fifth embodiment is such an example.

【0060】(第5の実施形態)第5の実施例では、図
11(b)の構造のTMRセル1とMOSFETを有す
る第3の実施形態(図5)の構造の3×3セルマトリッ
クスのテストエレメント(TEG3)と、単純な楕円形
状TMRセルを有する第3の実施形態(図5)による3
×3セルマトリックス構造のテストエレメント(TEG
4)を作製し、スイッチング磁場特性を比較した。
(Fifth Embodiment) In the fifth embodiment, a 3 × 3 cell matrix having the structure of the third embodiment (FIG. 5) having a TMR cell 1 having the structure of FIG. 3 according to the third embodiment (FIG. 5) with test element (TEG3) and a simple elliptical TMR cell
× 3 cell matrix test element (TEG
4) was prepared and the switching magnetic field characteristics were compared.

【0061】配線はAl−Cu配線を用い、配線ルール
は0.25μm、配線の断面アスペクト比は1:2とし
縦長断面の配線を用いた。両テストエレメントともTM
Rセルを配線(ビット線BL,書き込みワード線WL
´)に対して45°方向に傾けてある。シールド材料と
してはNi―Feを用いCVD法で作製した。各配線を
成膜する前にはCMP処理を行い、TMRセルとビット
線BL,書き込みワード線WL´の間の距離は両テスト
エレメントとも同じに設計した。TMRセルは両方と
も、強磁2重トンネル接合(Ta/Ni−Fe/Pt−
Mn/(CoFe/Ru/CoFe)/AlOx/(C
o−Fe−Ni/Cu/Co−Fe−Ni)/AlOx
/(CoFe/Ru/CoFe)/Pt−Mn/Ta)
を用いている。
The wiring used was an Al-Cu wiring, the wiring rule was 0.25 μm, the cross-sectional aspect ratio of the wiring was 1: 2, and the wiring had a vertically long cross section. TM for both test elements
Connect the R cell (bit line BL, write word line WL
') Inclined at 45 ° to the direction. Ni—Fe was used as a shield material and was produced by a CVD method. Before forming each wiring, a CMP process was performed, and the distance between the TMR cell, the bit line BL and the write word line WL 'was designed to be the same for both test elements. Both TMR cells have a strong magnetic double tunnel junction (Ta / Ni-Fe / Pt-
Mn / (CoFe / Ru / CoFe) / AlOx / (C
o-Fe-Ni / Cu / Co-Fe-Ni) / AlOx
/ (CoFe / Ru / CoFe) / Pt-Mn / Ta)
Is used.

【0062】TMRセル1は超高真空スパッタ装置を用
い成膜を行い、AlOxの作製は、Alを成膜した後、
プラズマ酸化をおこなう方法で作製した。図12は第5
の実施形態のアーキテクチャ(TEG3)を用いた場合
(E)と、第3の実施形態の構造(TEG4)を用いた
場合(F)のスイッチング磁場曲線を示したものであ
る。図12に示したように、第5の実施形態のスイッチ
ング磁場曲線は、第3の実施形態に比べても著しく縮小
する。この結果、書込み時の消費電力が低減し、クロス
トークの無い、EMの問題も生じないメモリ構造を提供
できることが確認された。
[0062] TMR cell 1 performs film formation using a ultra-high vacuum sputtering system, the production of AlO x is, after the formation of the Al,
It was manufactured by a method of performing plasma oxidation. FIG. 12 shows the fifth
The switching magnetic field curves when the architecture (TEG3) of the third embodiment is used (E) and when the structure (TEG4) of the third embodiment is used (F) are shown. As shown in FIG. 12, the switching magnetic field curve of the fifth embodiment is significantly smaller than that of the third embodiment. As a result, it has been confirmed that a memory structure with reduced power consumption during writing, no crosstalk, and no problem of EM can be provided.

【0063】上記の第1乃至第5の実施形態で説明した
磁気記憶装置は、携帯電話等のメモリー部に搭載するの
に好適である。
The magnetic storage devices described in the first to fifth embodiments are suitable for being mounted on a memory section of a mobile phone or the like.

【0064】なお、第1乃至第5の実施形態を通じ、T
MR素子(セル)構造としては、図13、図14に示し
たように反強磁性層21、31を付与するいわゆるスピ
ンバルブ型にすることが好ましい。なお、図13におい
て、参照番号22、24は強磁性層、23はトンネルバ
リア層で、少なくとも1つのトンネルバリア層と、少な
くとも2つの強磁性層と、少なくとも1つの反強磁性層
を有するトンネル接合構造である。また、図14におい
て、参照番号32,34、36は強磁性層、33,35
はトンネルバリア層、31,37は反強磁性層である。
Note that T through the first to fifth embodiments.
The structure of the MR element (cell) is preferably a so-called spin valve type in which the antiferromagnetic layers 21 and 31 are provided as shown in FIGS. In FIG. 13, reference numerals 22 and 24 denote ferromagnetic layers, 23 denotes a tunnel barrier layer, and a tunnel junction having at least one tunnel barrier layer, at least two ferromagnetic layers, and at least one antiferromagnetic layer. Structure. In FIG. 14, reference numerals 32, 34, and 36 indicate ferromagnetic layers, and 33 and 35.
Is a tunnel barrier layer, and 31 and 37 are antiferromagnetic layers.

【0065】また、上記強磁性層(磁気固着層)32
を、図15のように、(強磁性層32−1/非磁性層3
8/強磁性層32−2)の3層構造で非磁性層を介して
反強磁性結合をしているいわゆる反強磁性結合層で置換
することができる。
The ferromagnetic layer (magnetic pinned layer) 32
As shown in FIG. 15, (the ferromagnetic layer 32-1 / nonmagnetic layer 3
8 / ferromagnetic layer 32-2) can be replaced by a so-called antiferromagnetic coupling layer that has antiferromagnetic coupling via a nonmagnetic layer with a three-layer structure.

【0066】この3層構造をピン(磁気固着)層として
用いることにより、より強固にピン層のスピンを固着す
ることができるため、何度かの書き込みによって磁気固
着層の一部の磁気モーメントが回転してしまい出力が徐
々に低下してしまうという問題が完全に無くなること、
反強磁性膜の膜厚を薄くでき加工精度が上がることなど
のメリットがあり、スイッチング磁場のバラツキが減少
する。
By using this three-layer structure as a pin (magnetic pinned) layer, the spin of the pinned layer can be more firmly pinned. The problem that the output is gradually reduced due to rotation is completely eliminated,
There are merits such as a reduction in the thickness of the antiferromagnetic film and an increase in processing accuracy, and variations in the switching magnetic field are reduced.

【0067】また、磁気記録層も(強磁性層/非磁性層
/強磁性層)の3層構造を用いることが好ましい。この
場合、強磁性層間に強磁性層結合があることが好まし
い。この構造を磁気記録層に用いると、スイッチング磁
場のセル幅依存性が小さく(セル幅を小さくしてもスイ
ッチング磁場の増大が小さく、MRAMを大容量化し、
TMR素子のセル幅が小さくなっても消費電力の増大、
書きこみ時の配線のエレクトロマイグレーションの心配
が無く、更なる大容量MRAMを作製できる。強磁性結
合の強さは弱い方が好ましく、弱いほどスイッチング磁
場は小さくなる。
It is preferable that the magnetic recording layer also has a three-layer structure of (ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer). In this case, it is preferable that there is a ferromagnetic layer coupling between the ferromagnetic layers. When this structure is used for the magnetic recording layer, the dependence of the switching magnetic field on the cell width is small (the increase in the switching magnetic field is small even if the cell width is reduced, and the capacity of the MRAM is increased.
Increase in power consumption even if the cell width of the TMR element is reduced,
There is no need to worry about electromigration of wiring at the time of writing, and an even larger capacity MRAM can be manufactured. The strength of the ferromagnetic coupling is preferably weak, and the weaker the strength, the smaller the switching magnetic field.

【0068】本発明の強磁性層の元素,種類は、特に制
限はなく、は、Fe、Co、Ni、またはそれらの合
金、スピン分極率の大きいマグネタイト、CrO2、R
XMnO3-y(R:希土類、X:Ca、Ba,Sr)な
どの酸化物の他NiMnSb、PtMnSbなどのホイ
スラー合金、Zn−Mn−O、Ti−Mn−O、CdM
nP2、ZnMnP2などの磁性半導体を用いることがで
きる。
The element and type of the ferromagnetic layer of the present invention are not particularly limited, and may be Fe, Co, Ni, or an alloy thereof, magnetite having a large spin polarizability, CrO 2, R
XMnO 3-y (R: rare earth, X: Ca, Ba, Sr ) other NiMnSb, Heusler alloys such as PtMnSb of oxides such as, Zn-Mn-O, Ti -Mn-O, CdM
A magnetic semiconductor such as nP 2 or ZnMnP 2 can be used.

【0069】本発明の強磁性層の膜厚は超常磁性になら
ない程度の厚さが必要であり、0.4nm以上であるこ
とが好ましい。また、あまり厚いとスイッチング磁場、
漏れ磁場が大きくなってしまうため、3.0nm以下で
有ることが好ましい。また、これら磁性体にはAg、C
u、Au、Al、Mg、Si、Bi、Ta、B、C、
O、N、Pd、Pt、Zr、Ir、W、Mo、Nbなど
の非磁性元素が多少含まれていても強磁性を失わない限
り良い。
The thickness of the ferromagnetic layer of the present invention must be such that it does not become superparamagnetic, and is preferably 0.4 nm or more. Also, if the switching field is too thick,
Since the leakage magnetic field becomes large, it is preferable to be 3.0 nm or less. In addition, Ag, C
u, Au, Al, Mg, Si, Bi, Ta, B, C,
Even if a small amount of a non-magnetic element such as O, N, Pd, Pt, Zr, Ir, W, Mo, or Nb is contained, it is sufficient as long as ferromagnetism is not lost.

【0070】反強磁性膜は、Fe−Mn、Pt−Mn、
Pt−Cr−Mn、Ni−Mn、Ir−Mn、Ru−M
nなどを用いることができる。フリー(記録)層に強磁
性層/非磁性層/強磁性層の3層膜を用いる場合、その
非磁性層としては、Cu、Au、Ru、Ir、Rh、A
gなどを用いることができる。
The antiferromagnetic film is made of Fe-Mn, Pt-Mn,
Pt-Cr-Mn, Ni-Mn, Ir-Mn, Ru-M
n or the like can be used. When a three-layer film of a ferromagnetic layer / a nonmagnetic layer / a ferromagnetic layer is used as the free (recording) layer, the nonmagnetic layer may be formed of Cu, Au, Ru, Ir, Rh, Rh,
g or the like can be used.

【0071】誘電体または絶縁層としては、Al23
SiO2、MgO、AlN、AlON、GaO、Bi2
3、SrTiO2、AlLaO3 などの様々な誘電体を使
用することができる。これらは、酸素、窒素欠損が多少
存在していてもかまわない。
As the dielectric or insulating layer, Al 2 O 3 ,
SiO 2 , MgO, AlN, AlON, GaO, Bi 2 O
Various dielectrics such as 3 , SrTiO 2 , AlLaO 3 can be used. These may have some oxygen and nitrogen deficiencies.

【0072】誘電体層の厚さはTMR素子の接合面積に
依存し、3nm以下であることが好ましい。基板材料は
特に制限はなく、Si、SiO2、Al23、AlNな
ど各種基板上に作製できる。その上に、下地層,保護層
として、Ta、Ti、Pt、Pd、Au、Ti/Pt、
Ta/Pt、Ti/Pd、Ta/Pdなどを用いること
が好ましい。
The thickness of the dielectric layer depends on the junction area of the TMR element, and is preferably 3 nm or less. The substrate material is not particularly limited, and it can be manufactured on various substrates such as Si, SiO 2 , Al 2 O 3 , and AlN. On top of that, Ta, Ti, Pt, Pd, Au, Ti / Pt,
It is preferable to use Ta / Pt, Ti / Pd, Ta / Pd, or the like.

【0073】このような磁気抵抗効果素子は、各種スパ
ッタ法、蒸着法、分子線エピタキシャル法などの通常の
薄膜形成装置を用いれば作製することができる。
Such a magnetoresistive element can be manufactured by using an ordinary thin film forming apparatus such as various sputtering methods, vapor deposition methods, molecular beam epitaxy methods and the like.

【0074】[0074]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
書込み時の消費電力を著しく低減することができ、従来
の磁気記憶装置(MRAM)が有する消費電力が大きい
という問題、クロストークの問題、エレクトロマイグレ
ーション(EM)の問題等が解決された高密度磁気記憶
素子あるいは磁気記憶装置を提供できる。
As described above, according to the present invention,
A high-density magnetic device in which the power consumption during writing can be significantly reduced and the conventional magnetic storage device (MRAM) has a large power consumption problem, a crosstalk problem, an electromigration (EM) problem, etc. A storage element or a magnetic storage device can be provided.

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

【図1】本発明の第1の磁気記憶素子の基本形態を示す
斜視図。
FIG. 1 is a perspective view showing a basic form of a first magnetic storage element of the present invention.

【図2】本発明第1の基本形態を用いた場合のスイッチ
ング磁場曲線(A)と従来のスイッチング磁場曲線
(B)を比較した図。
FIG. 2 is a diagram comparing a switching magnetic field curve (A) when the first basic mode of the present invention is used with a conventional switching magnetic field curve (B).

【図3】本発明の第1の実施形態に係る磁気記憶装置の
アーキテクチャを示す回路図。
FIG. 3 is a circuit diagram showing the architecture of the magnetic storage device according to the first embodiment of the present invention.

【図4】本発明の第2の実施形態に係る磁気記憶装置の
アーキテクチャを示す回路図。
FIG. 4 is a circuit diagram showing the architecture of a magnetic storage device according to a second embodiment of the present invention.

【図5】本発明の第3の実施形態に係る磁気記憶装置の
アーキテクチャを示す回路図。
FIG. 5 is a circuit diagram showing an architecture of a magnetic storage device according to a third embodiment of the present invention.

【図6】第3の実施形態の磁気記憶装置のスイッチング
磁場曲線(C)と従来のスイッチング磁場曲線(D)を
比較した図。
FIG. 6 is a diagram comparing a switching magnetic field curve (C) of the magnetic storage device according to the third embodiment with a conventional switching magnetic field curve (D).

【図7】本発明の第4の実施形態に係る磁気記憶装置の
アーキテクチャを示す回路図。
FIG. 7 is a circuit diagram showing the architecture of a magnetic storage device according to a fourth embodiment of the present invention.

【図8】第4の実施形態における上部配線、下部配線、
TMR素子の配置の状態を示す摸式的な平面図。
FIG. 8 shows an upper wiring, a lower wiring,
FIG. 3 is a schematic plan view showing the arrangement of TMR elements.

【図9】第4の実施形態における1メモリセルの摸式的
な断面図。
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of one memory cell according to a fourth embodiment.

【図10】本発明の第2の磁気記憶装置の基本形態を示
す摸式的な平面図。
FIG. 10 is a schematic plan view showing a basic form of a second magnetic storage device of the present invention.

【図11】本発明の第2の磁気記憶装置のセル形状(平
面図)の例。
FIG. 11 is an example of a cell shape (plan view) of a second magnetic storage device of the present invention.

【図12】本発明の第5の実施形態に係る磁気記憶装置
のスイッチング磁場曲線(E)を第3の実施形態の磁気
記憶装置のスイッチング磁場曲線(F)と比較して示し
た図。
FIG. 12 is a diagram showing a switching magnetic field curve (E) of a magnetic storage device according to a fifth embodiment of the present invention in comparison with a switching magnetic field curve (F) of the magnetic storage device of the third embodiment;

【図13】本発明で使用するTMRセルの層構成の1例
を示す素子断面図。
FIG. 13 is a sectional view of an element showing an example of a layer structure of a TMR cell used in the present invention.

【図14】本発明で使用するTMRセルの層構成の他の
1例を示す素子断面図。
FIG. 14 is an element cross-sectional view showing another example of the layer configuration of the TMR cell used in the present invention.

【図15】本発明で使用するTMRセルの層構成の更に
他の1例を示す素子断面図。
FIG. 15 is an element cross-sectional view showing still another example of the layer structure of the TMR cell used in the present invention.

【図16】従来のクロスポイントのTMRセルの配置を
示す摸式的な斜視図。
FIG. 16 is a schematic perspective view showing the arrangement of conventional cross-point TMR cells.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…TMRセル 2…ビット線 3…書き込みワード線 4…磁気シールド 5…配線 6…絶縁層 7、9…ダイオード 8…MOSFET 10…ソフト磁性バイアス層 11…カラムデコーダ 12…ロウデコーダ 21,31,37…反強磁性層 22,24、32,32−1,32−2、34,36…
強磁性層 23、33,35…トンネルバリア層 38…非磁性層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... TMR cell 2 ... Bit line 3 ... Write word line 4 ... Magnetic shield 5 ... Wiring 6 ... Insulating layer 7, 9 ... Diode 8 ... MOSFET 10 ... Soft magnetic bias layer 11 ... Column decoder 12 ... Row decoder 21, 31, 37 antiferromagnetic layers 22, 24, 32, 32-1, 32-2, 34, 36 ...
Ferromagnetic layers 23, 33, 35: Tunnel barrier layer 38: Non-magnetic layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 天野 実 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 中島 健太郎 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 高橋 茂樹 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 岸 達也 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内 Fターム(参考) 5F083 FZ10 GA05 GA11 GA30 JA36 JA60 LA12 LA16 PR21 PR22 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing from the front page (72) Inventor Minoru Amano 1 Toshiba-cho, Komukai Toshiba-machi, Saiwai-ku, Kawasaki-shi No. 1 in the Toshiba R & D Center (72) Inventor Shigeki Takahashi 1 in Komukai Toshiba-cho in Sachi-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Prefecture In-Toshiba R & D Center (72) Inventor Tatsuya Kishi Kawasaki-shi, Kanagawa 1F, Komukai Toshiba-cho, Tokyo Toshiba R & D Center F-term (reference) 5F083 FZ10 GA05 GA11 GA30 JA36 JA60 LA12 LA16 PR21 PR22

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 第1の書き込み線と、 前記第1の書込み線の直上に備えられ、少なくとも1つ
のトンネルバリア層と、少なくとも2つの強磁性層と、
少なくとも1つの反強磁性層とを有し、磁化容易軸が前
記第1の書き込み線と略45°の角度を有する強磁性ト
ンネル接合膜と、 前記強磁性トンネル接合膜の上面に接続され、少なくと
も前記強磁性トンネル接合膜の近傍で前記第1の書き込
み線と平行な第2の書き込み線と、を具備することを特
徴とする磁気記憶素子。
A first write line, provided immediately above the first write line, at least one tunnel barrier layer, at least two ferromagnetic layers,
A ferromagnetic tunnel junction film having at least one antiferromagnetic layer, an easy axis having an angle of about 45 ° with the first write line, and being connected to an upper surface of the ferromagnetic tunnel junction film; A second write line parallel to the first write line near the ferromagnetic tunnel junction film.
【請求項2】 前記第1及び第2の書き込み線が、少な
くとも前記強磁性トンネル接合膜の近傍において、外部
磁場の影響を遮断する磁気シールドを具備することを特
徴とする請求項1または請求項2に記載の磁気記憶素
子。
2. The method according to claim 1, wherein the first and second write lines include a magnetic shield at least in the vicinity of the ferromagnetic tunnel junction film to block an influence of an external magnetic field. 3. The magnetic storage element according to 2.
【請求項3】 少なくとも1つのトンネルバリア層と、
磁気記録層を含む少なくとも2つの強磁性層と、少なく
とも1つの反強磁性層とを有する強磁性トンネル接合膜
と、 前記強磁性トンネル接合膜の磁化容易軸方向の両端に備
えられた、前記磁気記録層より軟磁性を示すソフト磁性
バイアス層と、を具備することを特徴とする磁気記憶素
子。
3. At least one tunnel barrier layer;
A ferromagnetic tunnel junction film having at least two ferromagnetic layers including a magnetic recording layer, and at least one antiferromagnetic layer; and the magnetic field provided at both ends in the easy axis direction of the ferromagnetic tunnel junction film. And a soft magnetic bias layer exhibiting softer magnetism than the recording layer.
【請求項4】 前記強磁性層の少なくとも一層が、強磁
性層/非磁性金属層/強磁性層の3層構造を含む積層層
で置換されていることを特徴とする請求項1乃至請求項
3に記載の磁気記憶素子。
4. The semiconductor device according to claim 1, wherein at least one of said ferromagnetic layers is replaced by a laminated layer including a three-layer structure of a ferromagnetic layer / a non-magnetic metal layer / a ferromagnetic layer. 4. The magnetic storage element according to 3.
【請求項5】 各々が前記第2の書き込み線からなる複
数のビット線と、 前記複数のビット線と交差する読み出し用の複数のワー
ド線と、 前記ビット線とワード線の各交差点に備えられた請求項
1乃至請求項4のいずれかの磁気記録素子とトランジス
タあるいはダイオードと、を具備することを特徴とする
磁気記憶装置。
5. A plurality of bit lines each comprising the second write line; a plurality of read word lines intersecting with the plurality of bit lines; and a plurality of intersections between the bit lines and the word lines. 5. A magnetic storage device comprising the magnetic recording element according to claim 1 and a transistor or a diode.
【請求項6】 請求項5の磁気記憶装置を搭載すること
を特徴とする携帯端末装置。
6. A portable terminal device comprising the magnetic storage device according to claim 5.
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