JP2002299727A - Magnetic element, tunnel-magnetoresistive effect element, and manufacturing method therefor - Google Patents

Magnetic element, tunnel-magnetoresistive effect element, and manufacturing method therefor

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JP2002299727A
JP2002299727A JP2001103185A JP2001103185A JP2002299727A JP 2002299727 A JP2002299727 A JP 2002299727A JP 2001103185 A JP2001103185 A JP 2001103185A JP 2001103185 A JP2001103185 A JP 2001103185A JP 2002299727 A JP2002299727 A JP 2002299727A
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layer
magnetic layer
magnetization
magnetic element
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Akio Koganei
昭雄 小金井
Kazuhisa Okano
一久 岡野
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    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y25/00Nanomagnetism, e.g. magnetoimpedance, anisotropic magnetoresistance, giant magnetoresistance or tunneling magnetoresistance
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3268Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn
    • H01F10/3281Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn only by use of asymmetry of the magnetic film pair itself, i.e. so-called pseudospin valve [PSV] structure, e.g. NiFe/Cu/Co

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a magnetic element in which magnetization and a coercive force is freely selectable by reducing the coercive force of a refined ferromagnetic layer. SOLUTION: A second magnetic layer 102 has smaller coercive force than a first magnetic layer 101, so that the magnetization tends to be reversed. When the magnetization of the second magnetic layer 102 is reversed, the magnetization of the first magnetic layer 101, in contact with the second magnetic layer 102, tends to be reversed due to magnetic field leaking from the second magnetic layer 102, and therefore, the coercive force of this magnetic element becomes small. In addition, the coercive force of a tunnel magnetoresistive effect element also becomes small.

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、不揮発性の記憶素
子に関し、特に、保磁力で情報を記憶する磁性素子に関
する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a nonvolatile storage element, and more particularly, to a magnetic element that stores information with a coercive force.

【0002】[0002]

【従来の技術】一般に、強磁性体は外部から印加された
磁界によって生じた磁化が外部磁界を取り除いた後にも
残留する。また、強磁性体は、磁化の方向によってその
電気抵抗値が変化する。これは磁気抵抗効果と呼ばれて
いる。また、その電気抵抗値の変化率は磁気抵抗比(M
agneto−Resistance Ratio;M
R比)と呼ばれている。
2. Description of the Related Art Generally, a ferromagnetic material remains after magnetization generated by an externally applied magnetic field is removed from an external magnetic field. The electric resistance of the ferromagnetic material changes depending on the direction of magnetization. This is called the magnetoresistance effect. The rate of change of the electric resistance value is determined by the magnetoresistance ratio (M
agneto-Resistance Ratio; M
R ratio).

【0003】磁気抵抗効果を利用すれば、強磁性体の磁
化方向により情報を記憶する不揮発性のメモリを実現す
ることができる。このような不揮発性メモリは磁気メモ
リ(MRAM;Magnetic Random Ac
cess Memory)と呼ばれている。近年、非磁
性層を2つの強磁性層で挟んだ構造のトンネル磁気抵抗
効果(TMR;Tunnel Magneto−Res
istance)素子により巨大磁気抵抗効果(Gia
nt Magnet Registance)が得られ
ることが発見され、注目されている。トンネル磁気抵抗
効果素子は磁気抵抗比が高いので、それを利用したMR
AMや磁気ヘッドの実用化に向けた開発が進められてい
る。
If the magnetoresistance effect is used, a nonvolatile memory that stores information according to the magnetization direction of a ferromagnetic material can be realized. Such a non-volatile memory is a magnetic memory (MRAM; Magnetic Random Ac).
ESS Memory). In recent years, a tunnel magnetoresistive effect (TMR: Tunnel Magneto-Res) having a structure in which a nonmagnetic layer is sandwiched between two ferromagnetic layers.
Giant magnetoresistance effect (Gia)
It has been found that nt Magnet Resistance can be obtained, and is attracting attention. Since the tunnel magnetoresistance effect element has a high magnetoresistance ratio, the MR
Development for practical use of AM and magnetic heads is underway.

【0004】この種のMRAMは、各メモリセルにトン
ネル磁気抵抗効果素子を有している。トンネル磁気抵抗
効果素子において、膜面に対して膜垂直方向に電流を流
した場合の電気抵抗値の変化は、非磁性層をトンネルバ
リア層として、2つの強磁性層のスピン分極率の差によ
り生じる。そして、電気抵抗値の変化をトンネル電流の
変化として検知すれば、記憶された情報を読み出すこと
ができる。
This type of MRAM has a tunnel magnetoresistive element in each memory cell. In a tunnel magnetoresistance effect element, the change in electric resistance when a current flows in a direction perpendicular to the film surface is caused by the difference in spin polarizability between the two ferromagnetic layers using the nonmagnetic layer as a tunnel barrier layer. Occurs. If the change in the electric resistance value is detected as a change in the tunnel current, the stored information can be read.

【0005】ところで、昨今では携帯電話やPDA等の
モバイル機器の開発が盛んである。モバイル機器の高機
能化に伴い、その格納用メモリとして、大容量で高速ア
クセス可能な不揮発性メモリの必要性が高まっている。
また、様々な技術分野で軽量化、小型化、低消費電力化
が指向されている。これらを実現するために、MRAM
においては、微細化した磁性材料の磁化と保磁力という
2つのパラメータを自由に選択可能とすることが望まれ
ている。ここで、何らかの機能を実現するために微細加
工された磁性薄膜の膜片を磁性素子と呼ぶこととする。
磁性素子の開発では、サブμmデバイス、更には100
nmデバイスを実現するために、材料の物性の極限に挑
む戦いが繰り広げられている。
[0005] Recently, mobile devices such as mobile phones and PDAs have been actively developed. As mobile devices become more sophisticated, the need for a large-capacity, high-speed, non-volatile memory as a storage memory is increasing.
In various technical fields, reduction in weight, size, and power consumption are being pursued. To realize these, MRAM
It is desired that two parameters of magnetization and coercive force of a micronized magnetic material can be freely selected. Here, a piece of a magnetic thin film that has been finely processed to realize some function is referred to as a magnetic element.
In the development of magnetic elements, sub-μm devices and even 100 μm
In order to realize nm devices, battles are underway to push the limits of the physical properties of materials.

【0006】トンネル磁気抵抗効果素子の基本構造とし
ては、2つの強磁性層と、それらの間に挟まれた薄い非
磁性層とからなる。そして、2つの強磁性層は保磁力が
互いに異なっている。2つの強磁性層の磁化方向が平行
でかつ同一方向の場合(以下、平行と称す)と、平行で
かつ反対方向の場合(以下、反平行と称す)とで、トン
ネル磁気抵抗効果素子の電気抵抗値は異なる。トンネル
磁気抵抗効果素子は、この現象を利用して“0”及び
“1”の2値の状態を記憶する。
The basic structure of a tunnel magnetoresistive element is composed of two ferromagnetic layers and a thin non-magnetic layer sandwiched between them. The two ferromagnetic layers have different coercive forces. When the magnetization directions of the two ferromagnetic layers are parallel and in the same direction (hereinafter, referred to as parallel), and when the magnetization directions of the two ferromagnetic layers are parallel and in opposite directions (hereinafter, referred to as anti-parallel), the electric current of the tunnel magnetoresistance effect element is changed. The resistance values are different. The tunnel magnetoresistive element uses this phenomenon to store a binary state of “0” and “1”.

【0007】トンネル磁気抵抗効果素子への情報の書き
込みは、保磁力が大きい方の強磁性層の磁化方向を外部
磁界により変化させることで行われる。トンネル磁気抵
抗効果素子の近傍に配置した配線に電流を流すことで、
トンネル磁気抵抗効果素子への外部磁界を発生させる方
法が知られている。
Writing of information to the tunnel magnetoresistive element is performed by changing the magnetization direction of the ferromagnetic layer having the larger coercive force by an external magnetic field. By passing current through the wiring located near the tunnel magnetoresistive element,
A method for generating an external magnetic field to a tunnel magnetoresistive element is known.

【0008】トンネル磁気抵抗効果素子から情報を読み
出す方法としては、絶対値検出方式と差動検出方式とが
知られている。絶対値検出方式は、トンネル磁気抵抗効
果素子の電気抵抗値の絶対値で判断するものである。差
動検出方式は、書き込みの際より弱い外部磁界を印加し
て、保磁力の小さい強磁性層の磁化のみを反転させ、そ
の前後の電気抵抗値の差から、保磁力の大きい強磁性層
の状態を読み出すものである。
As methods for reading information from the tunnel magnetoresistive element, an absolute value detection method and a differential detection method are known. In the absolute value detection method, the determination is made based on the absolute value of the electric resistance value of the tunnel magnetoresistance effect element. In the differential detection method, a weaker external magnetic field is applied at the time of writing to invert only the magnetization of the ferromagnetic layer having a small coercive force. The status is read.

【0009】トンネル磁気抵抗効果を利用した磁性素子
は、情報を磁気的に記憶するため放射線に対する耐性に
優れ、原理的に不揮発であり、高速アクセスが可能であ
り、書き込み回数に制限がない等様々な利点を有する。
また、MRAMでは、既存の半導体製造技術を流用して容易
に高密度記録が実現できるので、MRAMが将来的にはDR
AMに置き換わるものと期待されている。
A magnetic element utilizing the tunnel magnetoresistive effect is excellent in radiation resistance because information is stored magnetically, is nonvolatile in principle, can be accessed at high speed, and has no limitation on the number of times of writing. Has many advantages.
Also, with MRAM, high-density recording can be easily realized by diverting existing semiconductor manufacturing technology.
It is expected to replace AM.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】メモリ開発では、記録
密度を向上させるために、情報を記録する単位であるメ
モリセルのサイズは年々縮小している。しかし、磁性膜
は、微細化するとその保磁力が増大する傾向にある。こ
れは、微細化すると膜があるかないかの境目(端部)に
位置する部分の割合が相対的に増えることに原因がある
と考えられる。何故なら、磁極を外部に発しないよう
に、膜の端部では磁化方向が膜面に向く傾向にあるため
である。
In memory development, the size of a memory cell as a unit for recording information has been reduced year by year in order to improve the recording density. However, when the magnetic film is miniaturized, its coercive force tends to increase. This is considered to be due to the fact that the proportion of the portion located at the boundary (edge) of the presence or absence of the film is relatively increased when miniaturization is performed. This is because the magnetization direction tends to face the film surface at the end of the film so that the magnetic pole is not emitted to the outside.

【0011】このように本来の磁化が容易な軸方向から
外れた成分を有する膜では交換エネルギーが大きく、磁
化反転に大きなエネルギーが必要である。磁化を反転さ
せるためのエネルギーが大きいことは、即ち保磁力が大
きいことを意味する。
As described above, in a film having a component deviated from the axis direction in which the original magnetization is easy, the exchange energy is large, and a large energy is required for magnetization reversal. A large energy for reversing the magnetization means a large coercive force.

【0012】MRAMでは、メモリセルの付近の配線に
電流を流すことで発生する外部磁界で強磁性層の磁化を
反転させる。メモリセルの保磁力が増大すれば、磁化反
転に大きな電流が必要となる。必要な電流が大きければ
それだけ消費電力が大きいので、好ましくない。
In an MRAM, the magnetization of a ferromagnetic layer is reversed by an external magnetic field generated by flowing a current through a wiring near a memory cell. If the coercive force of the memory cell increases, a large current is required for magnetization reversal. If the required current is large, the power consumption is correspondingly large, which is not preferable.

【0013】希土類金属と遷移金属の合金磁性薄膜は特
に垂直異方性に優れており、微細化しても磁化が膜面に
対して垂直方向に安定して向くことから、Ni,Fe,
Coなどの従来より提案されてきた面内磁気異方性を有
する強磁性薄膜に比べて有利であると考えられてきた。
An alloy magnetic thin film of a rare earth metal and a transition metal is particularly excellent in perpendicular anisotropy, and the magnetization is stably oriented in the direction perpendicular to the film surface even when the size is reduced.
It has been considered to be more advantageous than a conventionally proposed ferromagnetic thin film having in-plane magnetic anisotropy such as Co.

【0014】しかし、希土類金属と遷移金属の合金磁性
薄膜は元来の保磁力が巨大であるため、メモリセルをサ
ブミクロン領域まで微細化すると、情報の書込み及び読
出しに必要な電流が面内磁化膜に比べて大きなものとな
ってしまうという課題があった。
However, an alloy magnetic thin film of a rare earth metal and a transition metal has a large original coercive force. Therefore, when a memory cell is miniaturized to a submicron region, a current necessary for writing and reading information becomes in-plane magnetization. There is a problem that the film becomes larger than the film.

【0015】本発明の第1の目的は、微細化した強磁性
層の保磁力を低減させることで、磁化と保磁力を自由に
選択可能な磁性素子を実現することである。
A first object of the present invention is to realize a magnetic element in which magnetization and coercive force can be freely selected by reducing the coercive force of a miniaturized ferromagnetic layer.

【0016】また、本発明の第2の目的は、メモリセル
の保磁力を低減させることで、磁化の反転に必要な書き
込み電流を低減し、低消費電力のMRAMを実現することで
ある。
A second object of the present invention is to reduce the coercive force of the memory cell, thereby reducing the write current required for reversing the magnetization and realizing a low power consumption MRAM.

【0017】また、本発明の第3の目的は、コストパフ
ォーマンスと生産性の高いMRAMを提供することにあ
る。
A third object of the present invention is to provide an MRAM with high cost performance and high productivity.

【0018】[0018]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の磁性素子は、強磁性体の保磁力を利用した
磁性素子であって、基板上に形成した第1の磁性層と、
前記第1の磁性層より磁気異方性が低く、前記第1の磁
性層に接触した第2の磁性層とを有している。
In order to achieve the above object, a magnetic element of the present invention is a magnetic element utilizing a coercive force of a ferromagnetic material, and comprises a first magnetic layer formed on a substrate. ,
And a second magnetic layer having lower magnetic anisotropy than the first magnetic layer and in contact with the first magnetic layer.

【0019】第2の磁性層は、第1の磁性層より磁気異
方性が低いため、第1の磁性層よりも保磁力が小さいた
め、第1の磁性層より磁化が反転しやすい。第2の磁性
層の磁化が反転すると、第2の磁性層から漏洩する磁界
により、第1の磁性層の磁化が反転しやすくなる。した
がって、本発明の磁性素子は、第1の磁性層が単独で存
在する場合よりも小さな外部磁界で反転するので、微細
化した強磁性層において保磁力を低減させることが可能
である。
Since the second magnetic layer has a lower magnetic anisotropy than the first magnetic layer, it has a smaller coercive force than the first magnetic layer, so that the magnetization is more easily reversed than the first magnetic layer. When the magnetization of the second magnetic layer is reversed, the magnetization of the first magnetic layer is likely to be reversed due to a magnetic field leaking from the second magnetic layer. Therefore, in the magnetic element of the present invention, since the first magnetic layer is inverted with a smaller external magnetic field than when the first magnetic layer exists alone, the coercive force can be reduced in the miniaturized ferromagnetic layer.

【0020】本発明の実施態様によれば、前記第2の磁
性層は、前記第1の磁性層の周囲に接触している。
According to an embodiment of the present invention, the second magnetic layer is in contact with a periphery of the first magnetic layer.

【0021】本発明の実施態様によれば、前記第2の磁
性層は、前記第1の磁性層の上部に接触している。
According to an embodiment of the present invention, the second magnetic layer is in contact with an upper part of the first magnetic layer.

【0022】本発明の実施態様によれば、前記第1の磁
性層及び前記第2の磁性層の主たる磁化方向が膜面に対
して垂直である。
According to an embodiment of the present invention, the main magnetization directions of the first magnetic layer and the second magnetic layer are perpendicular to the film surface.

【0023】本発明の実施態様によれば、前記第1の磁
性層及び前記第2の磁性層は、希土類金属と遷移金属と
の合金である。
According to an embodiment of the present invention, the first magnetic layer and the second magnetic layer are an alloy of a rare earth metal and a transition metal.

【0024】本発明の実施態様によれば、前記合金は、
Gd、Tb、Ho、Dy、Fe、Co、Niのうち少な
くとも2つを含んでいる。
According to an embodiment of the present invention, said alloy comprises:
It contains at least two of Gd, Tb, Ho, Dy, Fe, Co, and Ni.

【0025】本発明の他の実施態様によれば、前記第1
の磁性層及び前記第2の磁性層の主たる磁化方向が膜面
に対して水平である。
According to another embodiment of the present invention, the first
The main magnetization directions of the magnetic layer and the second magnetic layer are horizontal to the film surface.

【0026】本発明の実施態様によれば、前記第2磁性
層が前記第1磁性層の改質物である。
According to an embodiment of the present invention, the second magnetic layer is a modified product of the first magnetic layer.

【0027】本発明の実施態様によれば、前記改質物は
Ga混入物である。
According to an embodiment of the present invention, the modified material is a Ga contaminant.

【0028】本発明の他の実施態様によれば、前記改質
物は酸化物である。
According to another embodiment of the present invention, said modified product is an oxide.

【0029】本発明の他の磁性素子は、強磁性体の保磁
力を利用した磁性素子であって、磁気異方性の異なる磁
性層を複数有する。
Another magnetic element of the present invention is a magnetic element utilizing the coercive force of a ferromagnetic material, and has a plurality of magnetic layers having different magnetic anisotropies.

【0030】本発明のトンネル磁気抵抗効果素子は、磁
気異方性の異なる2つの磁性層が接触した構成の第1の
磁性素子と、磁気異方性の異なる2つの磁性層が接触し
た構成であり、前記第1の磁性素子と保磁力が異なる第
2の磁性素子と、前記第1の磁性素子と前記第2の磁性
素子とに挟まれた非磁性絶縁層を有している。
The tunnel magnetoresistive element of the present invention has a first magnetic element in which two magnetic layers having different magnetic anisotropies are in contact with each other and a structure in which two magnetic layers having different magnetic anisotropy are in contact with each other. A second magnetic element having a coercive force different from that of the first magnetic element; and a non-magnetic insulating layer sandwiched between the first magnetic element and the second magnetic element.

【0031】2つの磁性素子と非磁性絶縁層からなるト
ンネル磁気抵抗効果素子において、磁気異方性の異なる
磁性層が接触してなる磁性素子を用いれば、保磁力の小
さいトンネル磁気抵抗効果素子を実現できる。
In a tunnel magnetoresistive element including two magnetic elements and a nonmagnetic insulating layer, if a magnetic element in which magnetic layers having different magnetic anisotropies are in contact with each other is used, a tunnel magnetoresistive element having a small coercive force can be obtained. realizable.

【0032】本発明の他のトンネル磁気抵抗効果素子
は、単独の磁性層からなる第1の磁性素子と、磁気異方
性の異なる2つの磁性層が接触した構成であり、前記第
1の磁性素子と保磁力が異なる第2の磁性素子と、前記
第1の磁性素子と前記第2の磁性素子とに挟まれた非磁
性絶縁層を有している。
Another tunnel magnetoresistive element of the present invention has a configuration in which a first magnetic element composed of a single magnetic layer and two magnetic layers having different magnetic anisotropies are in contact with each other. A second magnetic element having a different coercive force from the element; and a nonmagnetic insulating layer interposed between the first magnetic element and the second magnetic element.

【0033】本発明の更に他のトンネル磁気抵抗効果素
子は、磁気異方性の異なる複数の磁性層からなる第1の
磁性素子と、磁気異方性の異なる複数の磁性層からな
り、前記第1の磁性素子と保磁力が異なる第2の磁性素
子と、前記第1の磁性素子と前記第2の磁性素子とに挟
まれた非磁性絶縁層を有している。
Still another tunnel magnetoresistance effect element according to the present invention comprises a first magnetic element comprising a plurality of magnetic layers having different magnetic anisotropies and a plurality of magnetic layers having different magnetic anisotropies. A second magnetic element having a different coercive force from the first magnetic element; and a nonmagnetic insulating layer sandwiched between the first magnetic element and the second magnetic element.

【0034】本発明の更に他のトンネル磁気抵抗効果素
子は、単独の磁性層からなる第1の磁性素子と、磁気異
方性の異なる複数の磁性層からなり、前記第1の磁性素
子と保磁力が異なる第2の磁性素子と、前記第1の磁性
素子と前記第2の磁性素子とに挟まれた非磁性絶縁層を
有している。
Still another tunneling magneto-resistance effect element according to the present invention comprises a first magnetic element composed of a single magnetic layer and a plurality of magnetic layers having different magnetic anisotropies, and is kept in the first magnetic element. A second magnetic element having a different magnetic force; and a nonmagnetic insulating layer sandwiched between the first magnetic element and the second magnetic element.

【0035】本発明の磁性素子の製造方法は、基板上に
第1の磁性層を形成するステップと、荷電粒子を打ち込
んで前記第1の磁性層を改質し、前記第1の磁性層より
磁気異方性の低い第2の磁性層を作成するステップを有
している。
According to the method of manufacturing a magnetic element of the present invention, a step of forming a first magnetic layer on a substrate, the step of implanting charged particles to modify the first magnetic layer, Forming a second magnetic layer having low magnetic anisotropy.

【0036】磁性層にイオンビームを照射することによ
り荷電粒子を打ち込んで、磁気異方性の低減した磁性素
子を作成するプロセスを導入するという、マスク製造工
程が不要で容易な工程により、保磁力を低減した磁性素
子を製造することができる。
The coercive force is improved by introducing a process for producing a magnetic element with reduced magnetic anisotropy by irradiating the magnetic layer with an ion beam to implant charged particles and thereby producing a magnetic element with reduced magnetic anisotropy. Can be manufactured.

【0037】本発明の実施態様によれば、前記荷電粒子
を前記第1の磁性層の側壁部分に打ち込む。
According to an embodiment of the present invention, the charged particles are driven into a side wall portion of the first magnetic layer.

【0038】本発明の他の実施態様によれば、前記荷電
粒子を前記第1の磁性層の上面部分に打ち込む。
According to another embodiment of the present invention, the charged particles are implanted into an upper surface portion of the first magnetic layer.

【0039】本発明の実施態様によれば、前記荷電粒子
を打ち込むことにより、前記第1の磁性層の概ね全体を
改質する。
According to an embodiment of the present invention, the entirety of the first magnetic layer is modified by implanting the charged particles.

【0040】本発明の実施態様によれば、前記荷電粒子
は希ガス、窒素、酸素またはこれらの混合物を原料とす
る。
According to an embodiment of the present invention, the charged particles are made of a rare gas, nitrogen, oxygen or a mixture thereof.

【0041】本発明の他の実施態様によれば、前記荷電
粒子はGa、B、P、Asまたはこれらの混合物を原料
とする。
According to another embodiment of the present invention, the charged particles are made of Ga, B, P, As or a mixture thereof.

【0042】本発明の実施態様によれば、前記荷電粒子
の注入エネルギーが10〜300keVである。
According to an embodiment of the present invention, the charged particles have an injection energy of 10 to 300 keV.

【0043】本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の製造
方法は、基板上に下部強磁性層、非磁性絶縁層及び上部
強磁性層を形成して素子を構成するステップと、荷電粒
子を打ち込んで、前記下部強磁性層または前記上部強磁
性層の少なくとも一方を改質するステップを有してい
る。
According to the method of manufacturing a tunnel magnetoresistive element of the present invention, a lower ferromagnetic layer, a non-magnetic insulating layer and an upper ferromagnetic layer are formed on a substrate to form an element, and charged particles are implanted. Modifying at least one of the lower ferromagnetic layer and the upper ferromagnetic layer.

【0044】強磁性層にイオンビーム等を照射すること
により荷電粒子を打ち込んで、磁気異方性の低減した磁
性素子を作成するプロセスを導入するという、マスク製
造工程が不要で容易な工程により、保磁力を低減したト
ンネル磁気抵抗効果素子を製造することができる。ま
た、ピンポイントで要所の処理を済ませることができ
る。
By introducing a process of producing a magnetic element with reduced magnetic anisotropy by irradiating charged particles by irradiating the ferromagnetic layer with an ion beam or the like, a mask manufacturing process is unnecessary and an easy process is adopted. A tunnel magnetoresistive element having reduced coercive force can be manufactured. In addition, it is possible to complete the processing of a key point in a pinpoint manner.

【0045】本発明の実施態様によれば、前記荷電粒子
を前記素子の側壁部分に打ち込む。
According to an embodiment of the present invention, the charged particles are driven into a side wall portion of the device.

【0046】本発明の他の実施態様によれば、前記荷電
粒子を前記素子の上面部分に打ち込む。
According to another embodiment of the present invention, the charged particles are driven into the upper surface of the device.

【0047】本発明の実施態様によれば、前記荷電粒子
を打ち込むことにより、前記上部強磁性層の概ね全体を
改質する。
According to an embodiment of the present invention, the whole of the upper ferromagnetic layer is modified by implanting the charged particles.

【0048】本発明の実施態様によれば、前記荷電粒子
は希ガス、窒素、酸素またはこれらの混合物を原料とす
る。
According to an embodiment of the present invention, the charged particles are made of a rare gas, nitrogen, oxygen or a mixture thereof.

【0049】本発明の実施態様によれば、前記荷電粒子
はGa、B、P、Asまたはこれらの混合物を原料とす
る。
According to an embodiment of the present invention, the charged particles are made of Ga, B, P, As or a mixture thereof.

【0050】本発明の実施態様によれば、前記荷電粒子
の注入エネルギーが10〜300keVである。
According to an embodiment of the present invention, the charged particles have an injection energy of 10 to 300 keV.

【0051】[0051]

【発明の実施の形態】本発明の実施形態について図面を
参照して詳細に説明する。
Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

【0052】本発明の磁性素子は、磁気異方性の異なる
複数の磁性層からなる。本発明の一実施形態として、互
いに磁気異方性の異なる2つの磁性層が接触している場
合を例示する。
The magnetic element of the present invention comprises a plurality of magnetic layers having different magnetic anisotropies. As an embodiment of the present invention, a case where two magnetic layers having different magnetic anisotropies are in contact with each other will be exemplified.

【0053】本実施形態の磁性素子は、第1の磁性層か
らなるドメインと、第1の磁性層に比べて磁気異方性が
低く、第1の磁性層に接触した第2の磁性層からなるド
メインとが基板上に形成されている。ここで“磁性素
子”とは、何らかの機能を実現するために、磁性薄膜を
微細加工して構成された膜片のことを指すものとする。
また“ドメイン”とは、微細加工により規定された磁性
薄膜が存在する領域のことを指すものとする。
The magnetic element of the present embodiment has the domain composed of the first magnetic layer and the second magnetic layer having a lower magnetic anisotropy than the first magnetic layer and having contact with the first magnetic layer. Domain is formed on the substrate. Here, “magnetic element” refers to a film piece formed by finely processing a magnetic thin film in order to realize some function.
The term “domain” refers to a region where a magnetic thin film defined by microfabrication exists.

【0054】第2の磁性層は、第1の磁性層より磁気異
方性が低いため、第1の磁性層よりも保磁力が小さい。
外部から本実施形態の磁性素子に与える磁界を徐々に強
めていくと、第1の磁性層より先に第2の磁性層の磁化
が反転する。第2の磁性層の磁化が反転すると、第2の
磁性層からの漏洩する磁界により、第1の磁性層の磁化
が反転しやすくなる。そのため、第1の磁性層は、第2
の磁性層と接触している場合の方が、単独で存在する場
合よりも小さな外部磁界で反転する。したがって、微細
化した強磁性層において保磁力を低減させることが可能
となり、磁化と保磁力を自由に選択して磁性素子を構成
することができる。
Since the second magnetic layer has lower magnetic anisotropy than the first magnetic layer, it has a smaller coercive force than the first magnetic layer.
When the magnetic field applied to the magnetic element of the present embodiment from the outside is gradually increased, the magnetization of the second magnetic layer is reversed before the first magnetic layer. When the magnetization of the second magnetic layer is reversed, the magnetization of the first magnetic layer is easily reversed due to a magnetic field leaking from the second magnetic layer. Therefore, the first magnetic layer is
Is reversed by a smaller external magnetic field when it is in contact with the magnetic layer. Therefore, the coercive force can be reduced in the miniaturized ferromagnetic layer, and the magnetic element can be configured by freely selecting the magnetization and the coercive force.

【0055】下部強磁性層と非磁性層と上部強磁性層か
らなるトンネル磁気抵抗効果素子において、下部又は上
部強磁性層に本実施形態の磁性素子を用いれば、保磁力
の小さい磁気メモリ(MRAM)を実現することができ
る。保磁力の小さい磁気メモリは、磁化の反転が生じる
外部磁界(以下、反転磁界と称す)が小さいため、低消
費電力である。
In a tunnel magnetoresistive effect element including a lower ferromagnetic layer, a non-magnetic layer, and an upper ferromagnetic layer, if the magnetic element of the present embodiment is used for the lower or upper ferromagnetic layer, a magnetic memory (MRAM) having a small coercive force is used. ) Can be realized. A magnetic memory having a small coercive force has a low power consumption because an external magnetic field (hereinafter, referred to as a reversal magnetic field) at which magnetization reversal occurs is small.

【0056】図1は、本発明の実施形態の磁性素子の4
つの形態の斜視図である。図1(a)は、円筒型、図1
(b)は直方体型、図1(c)は上面型、図1(d)は
下面型のそれぞれの磁性素子を示す。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a magnetic element according to an embodiment of the present invention.
It is a perspective view of one form. FIG. 1A shows a cylindrical type, and FIG.
1 (b) shows a rectangular parallelepiped magnetic element, FIG. 1 (c) shows an upper type, and FIG. 1 (d) shows a lower type magnetic element.

【0057】図1(a)及び(b)を参照すると、第1
の磁性層101の周囲に第1の磁性層よりも磁気異方性
が低い第2の磁性層102が配置されている。図1
(c)及び(d)を参照すると、第1の磁性層101の
上或いは下に、第2の磁性層102が重畳されている。
いずれの場合でも、本実施形態の磁性素子は、単独の第
1の磁性層101に比べて保磁力が小さい。
Referring to FIGS. 1A and 1B, the first
A second magnetic layer 102 having lower magnetic anisotropy than the first magnetic layer is disposed around the magnetic layer 101. FIG.
Referring to (c) and (d), a second magnetic layer 102 is superimposed on or below the first magnetic layer 101.
In any case, the magnetic element of the present embodiment has a smaller coercive force than the single first magnetic layer 101.

【0058】なお、第1の磁性層101と第2の磁性層
102の磁化の方向は、概略そろっていることが望まし
い。また、第1の磁性層101及び第2の磁性層102
は、磁化の方向が膜面に水平な面内磁化膜であってもよ
く、また、磁化の方向が膜面に対して垂直な垂直磁化膜
であってもよい。
It is desirable that the magnetization directions of the first magnetic layer 101 and the second magnetic layer 102 are substantially the same. Further, the first magnetic layer 101 and the second magnetic layer 102
May be an in-plane magnetization film whose magnetization direction is horizontal to the film surface, or may be a perpendicular magnetization film whose magnetization direction is perpendicular to the film surface.

【0059】図2は、本実施形態の磁性素子の各磁性層
の磁化方向の変化の様子を示す断面模式図である。図2
(a)〜図2(d)は、第1及び第2の磁性層101,
102の磁化方向がそろっている状態から、外部磁界の
印加により磁化が反転し、逆方向に揃うまでの様子を時
系列に示している。図2(a)において、矢印は、第1
の磁性層101及び第2の磁性層102の磁化方向を表
すベクトルである。
FIG. 2 is a schematic sectional view showing how the magnetization direction of each magnetic layer of the magnetic element of this embodiment changes. FIG.
2A to 2D show the first and second magnetic layers 101,
The state from the state in which the magnetization directions are aligned to the state in which the magnetization is reversed by application of an external magnetic field and aligned in the opposite direction is shown in time series. In FIG. 2A, the arrow indicates the first
Is a vector representing the magnetization direction of the magnetic layer 101 and the second magnetic layer 102 of FIG.

【0060】なお、これは本発明のメカニズムを簡潔に
説明するために単純化したモデルである。実際の磁化反
転挙動は、マイクロマグネティクスに基づいた、微視的
でかつ複雑な反応であることは言うまでもない。
It is to be noted that this is a simplified model for briefly describing the mechanism of the present invention. Needless to say, the actual magnetization reversal behavior is a microscopic and complicated reaction based on micromagnetics.

【0061】図2を用いて本発明のメカニズムについて
説明する。
The mechanism of the present invention will be described with reference to FIG.

【0062】図2(a)の時点では、第1の磁性層10
1及び第2の磁性層102a,102bは共に磁化が上
向きである。ここで、磁性素子に与える下向きの外部磁
界を徐々に強めていくと、図2(b)に示すように、磁
気異方性の低い第2の磁性層102a,102bの磁化
の方向が傾いてくる。
At the time of FIG. 2A, the first magnetic layer 10
The magnetizations of the first and second magnetic layers 102a and 102b are both upward. Here, when the downward external magnetic field applied to the magnetic element is gradually increased, as shown in FIG. 2B, the magnetization directions of the second magnetic layers 102a and 102b having low magnetic anisotropy are inclined. come.

【0063】図2(b)の時点では、外部磁界の強さが
単独の第1の磁性層101の保磁力より小さい。第1の
磁性層101は、その周囲にある第2の磁性層102
a,102bから交換力を受けて、単独の場合より磁化
が反転しやすい状態となっている。そのため、図2
(b)に示すように、第1の磁性層101の磁化の方向
も傾いている。ただし、第1の磁性層101の傾きは第
2の磁性層102a,102bより小さい。
At the time of FIG. 2B, the intensity of the external magnetic field is smaller than the coercive force of the single first magnetic layer 101. The first magnetic layer 101 has a second magnetic layer 102 around it.
In this state, the exchange force is received from the a and 102b, and the magnetization is more likely to be reversed than in the case of a single case. Therefore, FIG.
As shown in (b), the direction of the magnetization of the first magnetic layer 101 is also inclined. However, the inclination of the first magnetic layer 101 is smaller than that of the second magnetic layers 102a and 102b.

【0064】図2(c)の時点では、下向きの外部磁界
が図2(b)の時点より強くなっている。磁気異方性の
低い第2の磁性層102a,102bの磁化はほぼ反転
を終了している。これに対して、第1の磁性層101の
磁化の方向はやや遅れて回転している。ただし、単独の
第1の磁性層101に比べると、保磁力が低減している
ので、磁化の回転は進んでいる。
At the time of FIG. 2C, the downward external magnetic field is stronger than at the time of FIG. The magnetizations of the second magnetic layers 102a and 102b having low magnetic anisotropy have almost finished reversal. On the other hand, the direction of the magnetization of the first magnetic layer 101 rotates with a slight delay. However, since the coercive force is reduced as compared to the single first magnetic layer 101, the rotation of the magnetization is advanced.

【0065】図2(d)の時点では、図2(c)の時点
より更に外部磁界が強くなっている。第1の磁性層10
1及び第2の磁性層102a,102bは共に磁化の反
転が完了している。以上のように、第1の磁性層101
が単独の場合に比べて、小さな外部磁界で磁化が反転す
る。
At the time of FIG. 2D, the external magnetic field is stronger than at the time of FIG. 2C. First magnetic layer 10
The magnetization reversal of both the first and second magnetic layers 102a and 102b has been completed. As described above, the first magnetic layer 101
Is reversed by a small external magnetic field, as compared with the case where is used alone.

【0066】したがって、本実施形態の磁性素子をMR
AMに応用すれば、容易に、メモリセルの保磁力を下
げ、磁化反転に必要な書き込み電流を低減することが可
能になる。
Therefore, the magnetic element of the present embodiment is
When applied to AM, it is possible to easily lower the coercive force of the memory cell and reduce the write current required for magnetization reversal.

【0067】図3は、本実施形態の磁性素子の磁化曲線
(a)及び単独の第1の磁性層101の磁化曲線(b)
の模式図である。磁化曲線とは、外部磁界(H)と磁化
の関係を示すグラフである。図3中の矢印は磁化曲線が
ヒステリシス特性を示す部分での磁化の進行方向を示
す。ここで、磁化曲線がH軸と交差する点における外部
磁界を保磁力と定義する。本実施形態の磁性素子の保磁
力はHc1であり、単独の第1の磁性層101の保磁力
はHc2である。
FIG. 3 shows the magnetization curve (a) of the magnetic element of the present embodiment and the magnetization curve (b) of the single first magnetic layer 101.
FIG. The magnetization curve is a graph showing the relationship between the external magnetic field (H) and the magnetization. Arrows in FIG. 3 indicate the direction of progress of magnetization in a portion where the magnetization curve shows hysteresis characteristics. Here, the external magnetic field at the point where the magnetization curve crosses the H axis is defined as the coercive force. The coercive force of the magnetic element of this embodiment is Hc1, and the coercive force of the single first magnetic layer 101 is Hc2.

【0068】保磁力Hc1と保磁力Hc2とは、Hc1
>Hc2の関係にある。すなわち、本実施形態の磁性素
子は、単独の第1の磁性層101に比べて、弱い外部磁
界で磁化が反転する。
The coercive force Hc1 and the coercive force Hc2 are Hc1
> Hc2. That is, the magnetization of the magnetic element of the present embodiment is reversed by a weak external magnetic field as compared with the single first magnetic layer 101.

【0069】図4は、希土類金属と遷移金属の合金であ
る垂直磁化膜を用いた磁性素子の磁化の様子を示す模式
図である。図4(a)は遷移金属優勢の場合の磁化を示
し、図4(b)は希土類金属優勢の場合の磁化を示す。
太い黒矢印は希土類金属(RE)の磁化の方向を示し、
細い矢印は遷移金属(TM)の磁化の方向を示し、白抜
きの太い矢印はそれらを合算した磁化の方向を示す。
FIG. 4 is a schematic diagram showing a state of magnetization of a magnetic element using a perpendicular magnetization film which is an alloy of a rare earth metal and a transition metal. FIG. 4A shows the magnetization when the transition metal is dominant, and FIG. 4B shows the magnetization when the rare earth metal is dominant.
The thick black arrow indicates the direction of magnetization of the rare earth metal (RE),
A thin arrow indicates the direction of magnetization of the transition metal (TM), and a thick white arrow indicates the direction of magnetization obtained by adding them.

【0070】適切な材料及び組成で組み合わせた希土類
金属―遷移金属の磁性体はフェリ磁性を示す。したがっ
て、希土類金属の磁化と遷移金属の磁化とは反平行であ
る。そして、これら主格子磁化と副格子磁化の差分が全
体の磁化として観察される。
Rare earth metal-transition metal magnetic materials combined with appropriate materials and compositions exhibit ferrimagnetism. Therefore, the magnetization of the rare earth metal and the magnetization of the transition metal are antiparallel. Then, the difference between the main lattice magnetization and the sub lattice magnetization is observed as the entire magnetization.

【0071】図4(a)は、第1の磁性層401及び第
2の磁性層402は共に遷移金属が優勢な合金である。
本実施形態の磁性素子は第1の磁性層401と第2の磁
性層402a,402bとからなる。
FIG. 4A shows that the first magnetic layer 401 and the second magnetic layer 402 are both alloys in which a transition metal is predominant.
The magnetic element according to this embodiment includes a first magnetic layer 401 and second magnetic layers 402a and 402b.

【0072】第1の磁性層401では、遷移金属の磁化
が希土類金属の磁化より大きいが両者の差は小さい。そ
のため、第1の磁性層401全体の磁化は、第2の磁性
層402a,402bの磁化より小さい。第2の磁性層
402a,402bでは、遷移金属の磁化が希土類金属
の磁化よりはるかに大きい。そのため、第2の磁性層4
02a,402b全体の磁化は第1の磁性層401の磁
化より大きい。
In the first magnetic layer 401, the magnetization of the transition metal is larger than that of the rare earth metal, but the difference between them is small. Therefore, the magnetization of the entire first magnetic layer 401 is smaller than the magnetizations of the second magnetic layers 402a and 402b. In the second magnetic layers 402a and 402b, the magnetization of the transition metal is much larger than the magnetization of the rare earth metal. Therefore, the second magnetic layer 4
The magnetizations of the entire layers 02a and 402b are larger than the magnetization of the first magnetic layer 401.

【0073】したがって、磁化が大きい、即ち、磁気異
方性が低い第2の磁性層402a,402bは、第1の
磁性層401よりも弱い外部磁界で磁化が反転する。
Therefore, the magnetizations of the second magnetic layers 402 a and 402 b having a large magnetization, that is, a low magnetic anisotropy, are reversed by an external magnetic field weaker than that of the first magnetic layer 401.

【0074】図4(b)は、第1の磁性層403及び第
2の磁性層404は共に希土類金属が優勢な合金であ
る。本実施形態の磁性素子は第1の磁性層403と第2
の磁性層404a,404bとからなる。
FIG. 4B shows that the first magnetic layer 403 and the second magnetic layer 404 are both alloys in which rare earth metals are predominant. The magnetic element according to the present embodiment includes the first magnetic layer 403 and the second magnetic layer 403.
Of the magnetic layers 404a and 404b.

【0075】第1の磁性層403では、希土類金属の磁
化が遷移金属の磁化より大きいが両者の差は小さい。そ
のため、第1の磁性層403全体の磁化は、第2の磁性
層404a,404bの磁化より小さい。第2の磁性層
404a,404bでは、希土類金属の磁化が遷移金属
の磁化よりはるかに大きい。そのため、第2の磁性層4
04a,404b全体の磁化は第1の磁性層403の磁
化より大きい。
In the first magnetic layer 403, the magnetization of the rare earth metal is larger than that of the transition metal, but the difference between them is small. Therefore, the magnetization of the entire first magnetic layer 403 is smaller than the magnetizations of the second magnetic layers 404a and 404b. In the second magnetic layers 404a and 404b, the magnetization of the rare earth metal is much larger than the magnetization of the transition metal. Therefore, the second magnetic layer 4
The magnetizations of the entire layers 04a and 404b are larger than the magnetization of the first magnetic layer 403.

【0076】したがって、磁化が大きい、即ち、磁気異
方性が低い第2の磁性層404a,404bは、第1の
磁性層403よりも弱い外部磁界で磁化が反転する。
Therefore, the magnetizations of the second magnetic layers 404 a and 404 b having a large magnetization, that is, a low magnetic anisotropy, are inverted by an external magnetic field weaker than that of the first magnetic layer 403.

【0077】したがって、磁化が大きい、即ち、磁気異
方性が低い第2の磁性層404a,404bは、第1の
磁性層403よりも弱い外部磁界で磁化が反転する。
Therefore, the magnetizations of the second magnetic layers 404 a and 404 b having a large magnetization, that is, low magnetic anisotropy, are reversed by an external magnetic field weaker than that of the first magnetic layer 403.

【0078】図4は、第1の磁性層の優勢な金属と第2
の磁性層の優勢な金属が同類である場合を示したが、第
1の磁性層全体の磁化が第2の磁性層全体の磁化より大
きく、方向が同じであれば、何れか一方が希土類金属優
勢で、他方が遷移金属優勢であってもよい。
FIG. 4 shows the relationship between the predominant metal of the first magnetic layer and the second metal.
The case where the predominant metal of the magnetic layer is the same is shown, but if the magnetization of the entire first magnetic layer is larger than the magnetization of the entire second magnetic layer and the direction is the same, either one of them is a rare earth metal. It may be dominant and the other may be transition metal dominant.

【0079】次に、本実施形態の磁性素子の製造方法に
ついて説明する。本実施形態の磁性素子の製造方法は多
数存在する。例えば、第1の磁性層を改質して第2の磁
性層を得る方法や、第2の磁性層をフォトリソグラフィ
によってパターニングして成膜する方法などがある。
Next, a method for manufacturing the magnetic element of this embodiment will be described. There are many methods for manufacturing the magnetic element of the present embodiment. For example, there are a method of modifying the first magnetic layer to obtain a second magnetic layer, and a method of patterning the second magnetic layer by photolithography to form a film.

【0080】図5は、第1の磁性層に荷電粒子を注入し
て改質し、第2の磁性層を得る本実施形態の磁性素子の
製造方法を説明するための模式図である。
FIG. 5 is a schematic diagram for explaining a method of manufacturing a magnetic element of the present embodiment in which charged particles are injected into a first magnetic layer and modified to obtain a second magnetic layer.

【0081】図5(a)に示すように、基板501上に
第1の磁性層502と保護層503を形成する。
As shown in FIG. 5A, a first magnetic layer 502 and a protective layer 503 are formed on a substrate 501.

【0082】第1の磁性層502はGaをイオン源とす
る集束イオンビーム(加速電圧30kV)により素子化
される。図5(b)は加工の様子を示すもので、第1の
磁性層502は、イオンビーム504が照射されること
により、素子周囲に改質したテーパを生じる。第1の磁
性層502が改質した部分が第2の磁性層505とな
る。図5(c)は改質により第2の磁性層505が生じ
た後の状態を示す。
The first magnetic layer 502 is made into an element by a focused ion beam (acceleration voltage: 30 kV) using Ga as an ion source. FIG. 5B shows a state of the processing. When the first magnetic layer 502 is irradiated with the ion beam 504, a modified taper is generated around the element. The modified portion of the first magnetic layer 502 becomes the second magnetic layer 505. FIG. 5C shows a state after the second magnetic layer 505 is generated by the modification.

【0083】第2の磁性層505の部分では、Gaイオ
ンにより第1の磁性層502内の磁気結合鎖が部分的に
断ち切られているので、磁気異方性が減少している。
In the second magnetic layer 505, the magnetic coupling chains in the first magnetic layer 502 are partially cut off by Ga ions, so that the magnetic anisotropy is reduced.

【0084】なお、第1の磁性層502を改質するため
に使用されるイオン或いは荷電粒子はGaの集束ビーム
に限定されるものではない。Ar等の希ガス、反応性プ
ロセスを実現するN2やO2等のガス、或いは半導体の製
造工程でドーパントガスとして使用されるGa、B、
P、As、及びこれらの混合物を原料とするイオンが用
いられてもよい。
The ions or charged particles used to modify the first magnetic layer 502 are not limited to Ga focused beams. A rare gas such as Ar, a gas such as N 2 or O 2 for realizing a reactive process, or Ga, B used as a dopant gas in a semiconductor manufacturing process,
Ions using P, As, and a mixture thereof as a raw material may be used.

【0085】第1の磁性層502を改質するために使用
されるイオン或は荷電粒子の注入エネルギーとしては1
0〜300keVが適当である。10keV以下のエネ
ルギーでは十分な改質が生じない。また、300keV
を超えるエネルギーでは、対象物に物理的ダメージを生
じ、破壊してしまう場合がある。
The ion or charged particle implantation energy used to modify the first magnetic layer 502 is 1
0 to 300 keV is appropriate. At an energy of 10 keV or less, sufficient reforming does not occur. Also, 300 keV
If the energy exceeds 3, physical damage may be caused to the target object, and the target object may be destroyed.

【0086】注入エネルギーは、荷電粒子、改質の対象
となる第1の磁性層502の材質や加工形状、加工場所
等に応じて適宜選択される。
The injection energy is appropriately selected according to the charged particles, the material, processed shape, processing location, and the like of the first magnetic layer 502 to be modified.

【0087】第1の磁性層502を改質することで第2
の磁性層505を作成する場所は、図5に示したような
第1の磁性層502の周囲に限定されるものではない。
By modifying the first magnetic layer 502, the second
The place where the magnetic layer 505 is formed is not limited to the periphery of the first magnetic layer 502 as shown in FIG.

【0088】図1(c)や図1(d)に示したように、
第1の磁性層502の上或は下に第2の磁性層505を
作成した形態も考えられる。
As shown in FIGS. 1C and 1D,
An embodiment in which the second magnetic layer 505 is formed above or below the first magnetic layer 502 is also conceivable.

【0089】図6(b)は、第1の磁性層502の上に
第2の磁性層505を作成したものを示す。保護層50
3の膜厚として適当な厚さを選択することで第1の磁性
層502へのイオン注入量を調整し、図6(a)のよう
にイオンビーム504を第1の磁性層502の上面に照
射することで、第2の磁性層505の膜厚を所望の厚さ
とすることができる。
FIG. 6B shows a second magnetic layer 505 formed on the first magnetic layer 502. Protective layer 50
By selecting an appropriate thickness as the film thickness of No. 3, the amount of ion implantation into the first magnetic layer 502 is adjusted, and the ion beam 504 is applied to the upper surface of the first magnetic layer 502 as shown in FIG. By irradiation, the thickness of the second magnetic layer 505 can be set to a desired thickness.

【0090】保護層503の膜厚を更に薄くして非磁性
元素506が完全に浸入するようにすれば、図6(c)
のように第1の磁性層502は全面的に改質する。
If the thickness of the protective layer 503 is further reduced so that the non-magnetic element 506 completely penetrates, FIG.
As described above, the first magnetic layer 502 is entirely reformed.

【0091】なお、第1の磁性層502から第2の磁性
層505を作成するための製造方法は、FIBなどのイ
オンビーム照射に限定されるものではない。例えば、第
1の磁性層502を大気中で自然に酸化させることでも
容易に改質することができる。
Note that the manufacturing method for forming the second magnetic layer 505 from the first magnetic layer 502 is not limited to ion beam irradiation such as FIB. For example, the first magnetic layer 502 can be easily modified by naturally oxidizing it in the air.

【0092】自然酸化により第1の磁性層を改質して第
2の磁性層を得る製造方法の一例を図7を用いて説明す
る。
An example of a manufacturing method for obtaining the second magnetic layer by modifying the first magnetic layer by natural oxidation will be described with reference to FIG.

【0093】図7を参照すると、第1の磁性層701が
基板(不図示)上に形成されている。第1の磁性層70
1において、遷移金属の磁化が希土類金属の磁化より大
きい。そして、両者の磁化の大きさの差は小さいため遷
移金属優勢である。そのため、第1の磁性層701は磁
気異方性が大きい。
Referring to FIG. 7, a first magnetic layer 701 is formed on a substrate (not shown). First magnetic layer 70
In 1, the magnetization of the transition metal is larger than the magnetization of the rare earth metal. Since the difference between the two magnetizations is small, the transition metal is dominant. Therefore, the first magnetic layer 701 has large magnetic anisotropy.

【0094】第1の磁性層701を大気中に一定時間放
置すると、第1の磁性層701内の希土類金属が容易に
酸化して磁化を失う。それにより磁気異方性の低い第2
の磁性層が第1の磁性層701の周囲に生じる。この例
では、第2の磁性層は遷移金属の磁化を主に示すことに
なる。したがって、遷移金属材料の種類によっては、磁
性素子は若干の面内磁化成分を持つようになる。しか
し、第1の磁性層と第2の磁性層の磁化方向は概ね揃っ
ているため本発明の機能が損なわれることはない。
When the first magnetic layer 701 is left in the air for a certain period of time, the rare earth metal in the first magnetic layer 701 is easily oxidized and loses magnetization. As a result, the second magnetic anisotropy
Are formed around the first magnetic layer 701. In this example, the second magnetic layer mainly shows the magnetization of the transition metal. Therefore, depending on the type of the transition metal material, the magnetic element has a slight in-plane magnetization component. However, since the magnetization directions of the first magnetic layer and the second magnetic layer are substantially the same, the function of the present invention is not impaired.

【0095】なお、第1の磁性層の周囲を覆う第2の磁
性層の厚さは、材料の組み合わせにより適宜選択され
る。
The thickness of the second magnetic layer covering the periphery of the first magnetic layer is appropriately selected depending on the combination of materials.

【0096】また、第1の磁性層と第2の磁性層の境界
には、第1の磁性層及び第2の磁性層と異なる第3の層
が存在してもよい。第3の層は、第1の磁性層と第2の
磁性層の材料の混合物からなる場合もあり、また、全く
異なる非磁性材料からなる場合もある。いずれの場合で
も、第3の層の厚さはできるだけ薄いことが望ましい。
0〜3nmの範囲であることが望ましい。第3の層が厚
すぎると、第1の磁性層と第2の磁性層との磁気的な結
合力が弱まり、保磁力を低減させるという本発明特有の
効果が低下してしまうからである。
Further, a third layer different from the first magnetic layer and the second magnetic layer may be present at the boundary between the first magnetic layer and the second magnetic layer. The third layer may be composed of a mixture of the materials of the first magnetic layer and the second magnetic layer, or may be composed of a completely different non-magnetic material. In any case, it is desirable that the thickness of the third layer be as small as possible.
It is desirable to be in the range of 0 to 3 nm. If the third layer is too thick, the magnetic coupling force between the first magnetic layer and the second magnetic layer is weakened, and the effect unique to the present invention of reducing the coercive force is reduced.

【0097】本実施形態の磁性素子は、トンネル磁気抵
抗効果素子に応用することができる。
The magnetic element of this embodiment can be applied to a tunnel magnetoresistance effect element.

【0098】図8は、本実施形態の磁性素子で非磁性絶
縁層を挟んだ構成のトンネル磁気抵抗効果素子の一例を
示す斜視図である。
FIG. 8 is a perspective view showing an example of a tunnel magnetoresistive element having a configuration in which a nonmagnetic insulating layer is sandwiched between the magnetic elements of this embodiment.

【0099】従来のトンネル磁気抵抗効果素子は、下部
強磁性層と非磁性絶縁層と上部強磁性層とからなり、上
部及び下部強磁性層は共に単独の層である。
The conventional tunnel magnetoresistive element comprises a lower ferromagnetic layer, a non-magnetic insulating layer and an upper ferromagnetic layer, and both the upper and lower ferromagnetic layers are single layers.

【0100】図3を参照すると、本実施形態のトンネル
磁気抵抗効果素子の下部強磁性層は、第1の磁性層80
1及び第2の磁性層804から構成された第1の磁性素
子810である。また、非磁性絶縁層はトンネル膜80
2である。また、上部強磁性層は、第1の磁性層803
及び第2の磁性層805から構成された第2の磁性素子
820である。
Referring to FIG. 3, the lower ferromagnetic layer of the tunnel magnetoresistive element according to the present embodiment has a first magnetic layer 80.
The first magnetic element 810 includes the first and second magnetic layers 804. The nonmagnetic insulating layer is a tunnel film 80.
2. In addition, the upper ferromagnetic layer is the first magnetic layer 803.
And a second magnetic element 820 including a second magnetic layer 805.

【0101】下部強磁性層と上部強磁性層の保磁力は互
いに異なる。保磁力の小さい方がフリー層となり、保磁
力の大きい方がピン層となる。
The lower and upper ferromagnetic layers have different coercive forces. The smaller coercive force is the free layer, and the larger coercive force is the pinned layer.

【0102】本実施形態では、第1の磁性素子810の
第2の磁性層804は、第1の磁性層801の周囲を覆
うよう配置されている。第2の磁性素子820の第2の
磁性層805は第1の磁性層803の周囲を覆うよう配
置されている。そして、第1及び第2の磁性素子81
0,820でトンネル磁気抵抗効果素子が構成されてい
る。
In the present embodiment, the second magnetic layer 804 of the first magnetic element 810 is arranged to cover the periphery of the first magnetic layer 801. The second magnetic layer 805 of the second magnetic element 820 is arranged to cover the periphery of the first magnetic layer 803. Then, the first and second magnetic elements 81
0,820 constitutes a tunnel magnetoresistance effect element.

【0103】トンネル磁気抵抗効果素子は、下部センス
線806及び上部センス線807a,807bに電気的
に接続されている。図8中では、上部センス線807は
構造を見やすくするために807a及び807bに分割
されているが、実際には一つの配線である。
The tunnel magneto-resistance effect element is electrically connected to a lower sense line 806 and upper sense lines 807a and 807b. In FIG. 8, the upper sense line 807 is divided into 807a and 807b to make the structure easier to see, but it is actually one wiring.

【0104】下部センス線806には、第1磁性素子8
10の第1の磁性層801及び第2の磁性層804が接
続されている。上部センス線807には第2磁性素子8
20の第1の磁性層803及び第2の磁性層805が接
続されている。そして、センス電流は、一方のセンス線
から、トンネル磁気抵抗効果素子を通って、他方のセン
ス線に流れる。なお、図8中では、センス電流を流すた
めに必要な絶縁層は図示されていない。
The first magnetic element 8 is connected to the lower sense line 806.
Ten first magnetic layers 801 and second magnetic layers 804 are connected. The second magnetic element 8 is connected to the upper sense line 807.
Twenty first magnetic layers 803 and second magnetic layers 805 are connected. Then, the sense current flows from one sense line to the other sense line through the tunnel magnetoresistive element. FIG. 8 does not show an insulating layer necessary for flowing a sense current.

【0105】本実施形態の磁性素子は保磁力が小さいた
め、外部磁界を印加することにより情報を容易に書込む
ことができる。
Since the magnetic element of this embodiment has a small coercive force, information can be easily written by applying an external magnetic field.

【0106】トンネル磁気抵抗効果素子は、構成要素と
して、保磁力の互いに異なる上部強磁性層と下部強磁性
層とを有する。これらは保磁力が互いに異なり、磁化の
反転し易さが異なる。磁化が反転し易い方が軟磁性材料
であり、磁化が反転し難い方が硬磁性材料である。軟磁
性材料は容易に磁化が反転するので、情報を読み出すと
きに磁化が反転される再生層として機能する。
The tunnel magnetoresistance effect element has, as constituent elements, an upper ferromagnetic layer and a lower ferromagnetic layer having different coercive forces. These have different coercive forces and different easiness of reversal of magnetization. The one where the magnetization is easily inverted is a soft magnetic material, and the one where the magnetization is hard to be inverted is a hard magnetic material. Since the magnetization of the soft magnetic material is easily inverted, the soft magnetic material functions as a reproducing layer whose magnetization is inverted when information is read.

【0107】また、硬磁性材料は軟磁性材料よりも磁化
が反転し難いので、情報を記憶するメモリ層として機能
する。
The hard magnetic material functions as a memory layer for storing information because the magnetization is harder to reverse than the soft magnetic material.

【0108】この軟磁性材料及び硬磁性材料は2つの強
磁性層間における保磁力の大小関係で定義されるもので
保磁力が大きいものを硬磁性材料とする。
The soft magnetic material and the hard magnetic material are defined by the magnitude relationship of the coercive force between the two ferromagnetic layers, and those having a large coercive force are defined as hard magnetic materials.

【0109】なお、本実施形態の磁性素子をトンネル磁
気抵抗効果素子に応用する場合、図8に示したように上
部強磁性層及び下部強磁性層の双方に用いる以外に、上
部強磁性層のみに適用する場合も考えられる。
When the magnetic element of this embodiment is applied to a tunnel magnetoresistive effect element, it is used for both the upper ferromagnetic layer and the lower ferromagnetic layer as shown in FIG. It is also conceivable to apply to

【0110】イオンビームにより上部強磁性層を改質す
る場合、上述したように、上部強磁性層の一部を改質し
てもよく、また、上部強磁性層の概ね全体を改質しても
よい。
When the upper ferromagnetic layer is modified by the ion beam, a part of the upper ferromagnetic layer may be modified as described above, or substantially the entire upper ferromagnetic layer may be modified. Is also good.

【0111】図9は、上部強磁性層の一部を改質して作
成したトンネル磁気抵抗効果素子の斜視図である。
FIG. 9 is a perspective view of a tunnel magnetoresistive element formed by modifying a part of the upper ferromagnetic layer.

【0112】図9において、下部強磁性層は第1の磁性
素子830である。また、非磁性絶縁層はトンネル膜8
02である。また、上部強磁性層は、第1の磁性層80
3と第2の磁性層805からなる第2の磁性素子840
である。そして、導電性保護層308によりイオン注入
ダメージを防止している。
In FIG. 9, the lower ferromagnetic layer is the first magnetic element 830. The non-magnetic insulating layer is a tunnel film 8.
02. Further, the upper ferromagnetic layer is formed of the first magnetic layer 80.
2 and a second magnetic element 840 comprising a second magnetic layer 805
It is. The conductive protective layer 308 prevents ion implantation damage.

【0113】下部強磁性層と上部強磁性層の保磁力は互
いに異なり、保磁力の小さい方がフリー層となり、保磁
力の大きい方がピン層となる。ここでは上部強磁性層が
ピン層であるとする。
The coercive forces of the lower ferromagnetic layer and the upper ferromagnetic layer are different from each other, and the smaller coercive force is a free layer, and the larger coercive force is a pinned layer. Here, it is assumed that the upper ferromagnetic layer is a pinned layer.

【0114】製造方法としては、メモリセルのエリアを
規定するための加工の後に、イオンビームを照射して第
2の磁性素子840の第1の磁性層803を改質し、第
1の磁性層803の上部に第2の磁性層805を生成す
る。
As a manufacturing method, after processing for defining an area of a memory cell, the first magnetic layer 803 of the second magnetic element 840 is modified by irradiation with an ion beam, A second magnetic layer 805 is formed on the top of the layer 803.

【0115】第2の磁性層805では、Gaイオンによ
り第1の磁性層803内の磁気結合鎖が部分的に断ち切
られ、磁気異方性が減少している。ピン層となる第2磁
性素子840の保磁力は、導電性保護層808の膜厚を
選択することにより調整できる。
In the second magnetic layer 805, the magnetic coupling chain in the first magnetic layer 803 is partially cut off by Ga ions, and the magnetic anisotropy is reduced. The coercive force of the second magnetic element 840 serving as a pin layer can be adjusted by selecting the thickness of the conductive protective layer 808.

【0116】本実施形態の磁性素子は保磁力が小さいた
め、図9のトンネル磁気抵抗効果素子は外部磁界を印加
することにより情報を容易に記録することができる。
Since the magnetic element of this embodiment has a small coercive force, the tunnel magnetoresistance effect element shown in FIG. 9 can easily record information by applying an external magnetic field.

【0117】図10は、上部強磁性層全体を改質して作
成したトンネル磁気抵抗効果素子の斜視図である。
FIG. 10 is a perspective view of a tunnel magnetoresistive element formed by modifying the entire upper ferromagnetic layer.

【0118】図10において、下部強磁性層は第1の磁
性素子830である。非磁性絶縁層はトンネル膜802
である。上部強磁性層は第2の磁性素子850である。
なお、図10の場合も図9と同様に上部強磁性層がピン
層であるとする。
In FIG. 10, the lower ferromagnetic layer is the first magnetic element 830. The non-magnetic insulating layer is a tunnel film 802
It is. The upper ferromagnetic layer is the second magnetic element 850.
In the case of FIG. 10, as in FIG. 9, the upper ferromagnetic layer is a pinned layer.

【0119】メモリセルのエリアを規定するための加工
の後に、イオンビームを照射して上部強磁性層全体を改
質して第2の磁性素子850を生成する。第2の磁性素
子850には、非磁性元素809が注入されている。こ
のときの注入エネルギーを選択することで、ピン層とな
る第2磁性素子850の保磁力を調整することができ
る。
After the processing for defining the area of the memory cell, the entire upper ferromagnetic layer is reformed by irradiating with an ion beam to generate a second magnetic element 850. The nonmagnetic element 809 is implanted in the second magnetic element 850. By selecting the injection energy at this time, the coercive force of the second magnetic element 850 serving as the pinned layer can be adjusted.

【0120】本実施形態の磁性素子は保磁力が小さいた
め、図10のトンネル磁気抵抗効果素子は外部磁界を印
加することにより容易に情報を記録することができる。
Since the magnetic element of this embodiment has a small coercive force, the tunnel magnetoresistive element of FIG. 10 can easily record information by applying an external magnetic field.

【0121】なお、トンネル磁気抵抗効果素子の製造工
程において、イオンビームを照射して磁気異方性の低減
した磁性素子を作成するプロセスを導入することは、マ
スク製造工程が不要なため比較的容易である。また、ピ
ンポイントで要所の処理を済ませることができるので、
保磁力を低減させるための加工の生産性が高い。
It should be noted that it is relatively easy to introduce a process of manufacturing a magnetic element having reduced magnetic anisotropy by irradiating an ion beam in the manufacturing process of the tunnel magnetoresistive effect element because a mask manufacturing step is unnecessary. It is. In addition, since you can finish important points at a pinpoint,
High productivity in processing to reduce coercive force.

【0122】なお、本実施形態の磁性素子の応用範囲
は、トンネル磁気抵抗効果素子のみに限定されるもので
はない。本実施形態の磁性素子は、微細加工を施した磁
気応用製品において保磁力の低い磁性素子が要求される
場合に、広く適用することが可能なのは言うまでもな
い。
Note that the application range of the magnetic element of this embodiment is not limited to the tunnel magnetoresistance effect element. It goes without saying that the magnetic element of the present embodiment can be widely applied when a magnetic element having a low coercive force is required in a magnetic application product subjected to fine processing.

【0123】次に、本発明の具体的な実施例について詳
細に説明する。 (第1の実施例)第1の磁性層の周囲に第1の磁性層の
改質物である第2の磁性層を配置することにより、保磁
力を低下させた磁性素子の一例を示す。
Next, specific examples of the present invention will be described in detail. (First Embodiment) An example of a magnetic element in which a coercive force is reduced by arranging a second magnetic layer, which is a modification of the first magnetic layer, around the first magnetic layer will be described.

【0124】磁性膜をFIB(集束イオンビーム)装置
を使って微細加工し、0.3〜0.7[μm]角の図5
(c)に示したような磁性素子を作成した。そして、素
子サイズに依存して保磁力がどのように変化したかを検
証した。
The magnetic film is finely processed by using a FIB (focused ion beam) apparatus, and a 0.3 to 0.7 [μm] square of FIG.
A magnetic element as shown in (c) was prepared. Then, it was verified how the coercive force changed depending on the element size.

【0125】このとき、磁性素子の保磁力として、磁気
力顕微鏡(MFM)で測定した磁気情報を用いた。ま
た、振動式磁気測定装置(VSM)により測定した1c
m角の垂直異方性磁化単層膜を比較対象とした。また、
実験には、遷移金属が優勢なフェリ磁性体を使った。
At this time, magnetic information measured by a magnetic force microscope (MFM) was used as the coercive force of the magnetic element. In addition, 1c measured by a vibrating magnetometer (VSM)
An m-square perpendicularly anisotropic magnetization single layer film was used as a comparison object. Also,
In the experiment, a ferrimagnetic material in which a transition metal is predominant was used.

【0126】第1の磁性層としてTb20Feを用い、膜
厚を30nmとした。Tb−Fe系の垂直磁化膜ではT
b成分が25%付近に補償組成があるので、25%以下
では遷移金属であるFeが優勢となり、25%以上では
希土類金属であるTb優勢となる。
Tb 20 Fe was used as the first magnetic layer, and the film thickness was 30 nm. In a Tb-Fe-based perpendicular magnetization film, T
Since the component b has a compensation composition in the vicinity of 25%, Fe, which is a transition metal, becomes dominant below 25%, and Tb, which is a rare earth metal, becomes dominant above 25%.

【0127】先ず、第1の磁性層としてTb20Feを基
板上に成膜した。ここで用いた基板は、(1,0,0)
の結晶方位を持つ4インチのSiウエハに1μmの熱酸
化膜を形成したものである。Tb20Feの成膜にはマグ
ネトロンスパッタ法を用い、TbターゲットとFeター
ゲットによるコスパッタを行った。希土類金属は酸化し
やすいためロードロック室を有する装置を使った。スパ
ッタ室の到達圧力は−5乗Pa以下であった。
First, Tb 20 Fe was formed as a first magnetic layer on a substrate. The substrate used here is (1, 0, 0)
Is formed on a 4-inch Si wafer having a crystal orientation of 1 μm and a thermal oxide film of 1 μm. Using a magnetron sputtering method to deposit the Tb 20 Fe, was co-sputtering by Tb target and Fe targets. Since rare earth metals are easily oxidized, an apparatus having a load lock chamber was used. The ultimate pressure of the sputtering chamber was −5 Pa or less.

【0128】第1の磁性層を成膜した後、保護膜として
45nmのSiをマグネトロンスパッタにて成膜した。
After forming the first magnetic layer, 45 nm of Si was formed as a protective film by magnetron sputtering.

【0129】次に、基板を取り出してFIB装置に投入
した。FIB装置では、加速電圧30kV、ビーム電流
11pAでGaイオンを引き出してボックス・イン・ボ
ックス形状に磁性膜を加工し、各サイズの磁性膜を周囲
から切り出した。切り出した磁性膜から周囲の膜までの
切り離し距離は3μmとした。
Next, the substrate was taken out and put into the FIB apparatus. In the FIB apparatus, Ga ions were extracted at an acceleration voltage of 30 kV and a beam current of 11 pA to process a magnetic film into a box-in-box shape, and magnetic films of each size were cut out from the surroundings. The separation distance from the cut magnetic film to the surrounding film was 3 μm.

【0130】次に、FIB装置から基板を取り出した
後、2nmのPtをスパッタして加工面に酸化防止膜を
形成した。
Next, after removing the substrate from the FIB apparatus, 2 nm of Pt was sputtered to form an antioxidant film on the processed surface.

【0131】次に、基板の膜面に対して垂直方向に+1
8kOeの磁界を掛けて着磁を行った。着磁後の基板を
MFM装置に導入し、サンプルの磁化方向を確認した。
Next, +1 in the direction perpendicular to the film surface of the substrate
Magnetization was performed by applying a magnetic field of 8 kOe. The substrate after magnetization was introduced into an MFM apparatus, and the magnetization direction of the sample was confirmed.

【0132】表1は、着磁後を行った後に、磁界をマイ
ナス方向に掃引し、その後にゼロ磁界下においてMFM
測定を行ったときのMFMイメージを示したものであ
る。表1では、磁化が+側であった場合が白丸で示さ
れ、磁化が−側であった場合が黒丸で示されている。
Table 1 shows that the magnetic field is swept in the minus direction after the magnetization, and then the MFM is performed under zero magnetic field.
5 shows an MFM image at the time of measurement. In Table 1, the case where the magnetization is on the + side is indicated by a white circle, and the case where the magnetization is on the − side is indicated by a black circle.

【0133】[0133]

【表1】 [Table 1]

【0134】図11は、着磁方向によるMFM像の違い
を示す図である。図11(a)は、1μm角の素子の膜
面に対して垂直で上向きに着磁した場合である。図11
(b)は、同様の素子に垂直で下向きに着磁した場合で
ある。MFMプローブの磁化方向は下向きとした。
FIG. 11 is a diagram showing the difference in the MFM image depending on the magnetization direction. FIG. 11A shows a case where the element is magnetized vertically upward to the film surface of the 1 μm square element. FIG.
(B) is a case where a similar element is magnetized vertically and downward. The magnetization direction of the MFM probe was downward.

【0135】MFMはCoCrでコートされたプローブ
を用いた位相検出で画像化しており、カラーテーブルが
白いほど斥力が強く働き、黒いほど引力が強く働く関係
となるよう設定されている。リフトスキャンの高さは3
0nmである。サンプルの着磁方向に依存して白黒が明
瞭に反転している。
The MFM is imaged by phase detection using a probe coated with CoCr, and is set so that the whiter the color table, the stronger the repulsive force and the blacker the color table, the stronger the attractive force. Lift scan height is 3
0 nm. The black and white are clearly inverted depending on the magnetization direction of the sample.

【0136】VSMにより測定した1cm角の垂直異方
性磁化単層膜の保磁力は12.72[kOe]であり、
磁化は92.2emu/ccであった。
The coercive force of the 1 cm square perpendicular anisotropic magnetization single layer film measured by VSM is 12.72 [kOe].
The magnetization was 92.2 emu / cc.

【0137】これに対して、0.5[μm]〜0.7
[μm]角サイズの素子は着磁磁場2〜3[kOe]の
間で磁化反転していた。また、0.3[μm]〜0.4
[μm]角サイズの素子は1〜2[kOe]の間で磁化
反転していた。
On the other hand, 0.5 [μm] to 0.7
The [μm] square-sized element had a magnetization reversal between the magnetizing magnetic fields of 2 to 3 [kOe]. Also, 0.3 [μm] to 0.4
The [μm] square-sized element had a magnetization reversal between 1 and 2 [kOe].

【0138】これは、素子サイズが小さくなるほど素子
の保磁力が低下することを示している。素子サイズが小
さいほど素子全体の面積に対するGaイオン照射部分面
積が増大するからである。すなわち、第1の磁性層の側
壁を改質することで第1の磁性層の周囲に生成した第2
の磁性層を配置することで保磁力を低下させることがで
きた。 (第2の実施例)第1の磁性層の周囲に第1の磁性層の
改質物である第2の磁性層を配置することにより、保磁
力を低下させた磁性素子の他の例を示す。
This indicates that the smaller the element size, the lower the coercive force of the element. This is because the smaller the element size, the larger the area of the Ga ion irradiation portion with respect to the entire area of the element. That is, the second side formed around the first magnetic layer by modifying the side wall of the first magnetic layer.
By arranging the above magnetic layer, the coercive force could be reduced. (Second Embodiment) Another example of a magnetic element in which the coercive force is reduced by disposing a second magnetic layer, which is a modified product of the first magnetic layer, around the first magnetic layer will be described. .

【0139】FIBを使って磁性膜を改質し、図6
(b)に示したように第1の磁性層の上部に第2の磁性
層を作成した。
[0139] The magnetic film was modified using FIB, and FIG.
As shown in (b), a second magnetic layer was formed on the first magnetic layer.

【0140】第1の磁性層としてTb20Feを用い、膜
厚を30nmとした。先ず、第1の磁性層としてTb20
Feを基板上に成膜した。ここで用いた基板は、(1,
0,0)の結晶方位を持つ4インチのSiウエハに1μ
mの熱酸化膜を形成したものである。Tb20Feの成膜
にはマグネトロンスパッタ法を用い、Tbターゲットと
Feターゲットによるコスパッタを行った。希土類金属
は酸化しやすいためロードロック室を持つ装置を使っ
た。スパッタ室の到達圧力は−5乗Pa以下であった。
Tb 20 Fe was used for the first magnetic layer, and the film thickness was 30 nm. First, as the first magnetic layer, Tb 20
Fe was deposited on the substrate. The substrate used here is (1,
1 μm on a 4-inch Si wafer with a crystal orientation of (0,0)
m thermal oxide film is formed. Using a magnetron sputtering method to deposit the Tb 20 Fe, was co-sputtering by Tb target and Fe targets. Since rare earth metals are easily oxidized, a device with a load lock chamber was used. The ultimate pressure of the sputtering chamber was −5 Pa or less.

【0141】第1の磁性層の成膜した後、保護膜として
25nmのSiをマグネトロンスパッタにて成膜した。
こうして得られた磁性膜をフォトリソグラフィによるマ
スク形成と、イオンミリングとにより孤立した磁性素子
に加工した。素子サイズは1μm角とした。磁性素子か
ら周囲の膜までの切り離し距離は3μmとした。
After forming the first magnetic layer, 25 nm of Si was formed as a protective film by magnetron sputtering.
The magnetic film thus obtained was processed into an isolated magnetic element by forming a mask by photolithography and ion milling. The element size was 1 μm square. The separation distance from the magnetic element to the surrounding film was 3 μm.

【0142】磁性素子を加工した後に、2nmのPtを
スパッタして加工面に酸化防止膜を形成した。
After processing the magnetic element, 2 nm of Pt was sputtered to form an antioxidant film on the processed surface.

【0143】次に、Gaをイオン源とする集束イオンビ
ーム(加速電圧30kV)で第1の磁性層を改質した。
保護膜であるSiが第1の実施例に比べ薄いため、図6
(a)のようにイオンビーム504を第1の磁性層に注
入すると、図6(b)のように第1の磁性層502の上
部に異方性が低下した第2の磁性層505が形成され
た。なお、30kVの集束イオンビームによるGaイオ
ンの注入量は、J.Electoron Micros
c 43,322(1994)よれば、単結晶Si基板
に対して30nm程度である。
Next, the first magnetic layer was modified by a focused ion beam (acceleration voltage: 30 kV) using Ga as an ion source.
Since the protective film Si is thinner than that of the first embodiment, FIG.
When the ion beam 504 is injected into the first magnetic layer as shown in FIG. 6A, a second magnetic layer 505 having reduced anisotropy is formed on the first magnetic layer 502 as shown in FIG. Was done. The amount of Ga ions implanted by a 30 kV focused ion beam is described in J. Org. Electron Micros
According to c 43,322 (1994), it is about 30 nm for a single crystal Si substrate.

【0144】次に、基板の膜面に対して垂直方向に25
kOeの磁界を掛けて着磁を行った。次に、着磁した後
の基板をMFM装置に導入し、第1の実施例と同様の方
法でサンプルの磁化状態を確認した。
Next, in the direction perpendicular to the film surface of the substrate, 25
Magnetization was performed by applying a magnetic field of kOe. Next, the magnetized substrate was introduced into an MFM apparatus, and the magnetization state of the sample was confirmed in the same manner as in the first embodiment.

【0145】表2に、Si保護膜25nmとした第2の
実施例におけるサンプルの保磁力と、注入による磁気異
方性の低減が生じていない、保護膜が45nmの比較用
サンプルの保磁力とを測定した結果を示す。 (第3の実施例)第1の磁性層の周囲にフォトリソグラ
フィで第2の磁性層を形成することにより、反転磁界を
低減した磁性素子の例を示す。
Table 2 shows the coercive force of the sample according to the second embodiment in which the Si protective film was 25 nm and the coercive force of the comparative sample having the protective film of 45 nm in which the magnetic anisotropy was not reduced by the injection. Shows the results of the measurement. (Third Embodiment) An example of a magnetic element in which a switching field is reduced by forming a second magnetic layer around the first magnetic layer by photolithography will be described.

【0146】ここでは、遷移金属優勢の希土類―遷移金
属からなるフェリ磁性体を磁性素子の構成材料として用
いた。
Here, a ferrimagnetic material composed of a transition metal-dominant rare earth-transition metal was used as a constituent material of the magnetic element.

【0147】図12を参照して、フォトリソグラフィに
よって第2の磁性層を成膜する方法を説明する。
With reference to FIG. 12, a method for forming the second magnetic layer by photolithography will be described.

【0148】先ず、基板上に第1の磁性層をパターン形
状に形成する。図12(a)はパターニングが完了した
模様を示す図であり、基板121上に第1の磁性層12
2が形成されている。なお、第1の磁性層122のパタ
ーニング方法としてはリフトオフやエッチング等があ
る。
First, a first magnetic layer is formed in a pattern on a substrate. FIG. 12A is a view showing a pattern after the patterning is completed, and the first magnetic layer 12 is formed on the substrate 121.
2 are formed. Note that a method of patterning the first magnetic layer 122 includes lift-off and etching.

【0149】次に、第2の磁性層をパターン形状に形成
する。図12(b)は第2の磁性層122のパターニン
グが完了した模様を示す図であり、第2の磁性層123
が形成されている。第1の磁性層122を成膜した後に
第2の磁性層123を重畳したため、図12(b)を参
照すると、基板121の中央部では、第1の磁性層12
2と第2の磁性層123が重なっている。第2の磁性層
123のパターニング方法としては、リフトオフやエッ
チング等が挙げられる。最後に、第2の磁性層123の
第1の磁性層122上に重なっていた部分を除去するこ
とで磁性素子を作成する。
Next, a second magnetic layer is formed in a pattern shape. FIG. 12B is a view showing a pattern in which the patterning of the second magnetic layer 122 has been completed.
Are formed. Since the second magnetic layer 123 was overlapped after the first magnetic layer 122 was formed, the first magnetic layer 12 was formed at the center of the substrate 121 with reference to FIG.
2 and the second magnetic layer 123 overlap. As a patterning method of the second magnetic layer 123, lift-off, etching, and the like are given. Finally, a portion of the second magnetic layer 123 overlapping the first magnetic layer 122 is removed to form a magnetic element.

【0150】なお、ここで第1の磁性層122と同じ形
状のマスクパターンを残して第2の磁性層123を成膜
することにより第1の磁性層122と第2の磁性層12
3が重ならないようにすることも考えられる。しかし、
実際にはパターン形状の位置ずれを回避することはでき
ないので、どうしても第1の磁性層122と第2の磁性
層123とが重なる領域が生じてしまう。したがって、
第1の磁性層122と同じ形状のマスクパターンを残す
ような複雑なことをせず、単純なマスク形状で第1の磁
性層122に第2の磁性層123を重ね、重なった領域
があるという前提でプロセスを組んだ方が不安定な位置
ずれ領域を生じず、加工の信頼性は向上する。
Here, the first magnetic layer 122 and the second magnetic layer 12 are formed by forming the second magnetic layer 123 while leaving a mask pattern having the same shape as that of the first magnetic layer 122.
It is also conceivable that 3 do not overlap. But,
In practice, it is not possible to avoid the displacement of the pattern shape, so that a region where the first magnetic layer 122 and the second magnetic layer 123 overlap necessarily occurs. Therefore,
It is said that the second magnetic layer 123 is overlapped on the first magnetic layer 122 with a simple mask shape without performing a complicated operation that leaves a mask pattern having the same shape as the first magnetic layer 122, and there is an overlapping region. When a process is formed on the premise, an unstable position shift region does not occur, and the reliability of processing is improved.

【0151】図12(c)は、全てのパターニングが完
了した状態を示すものであり、第1の磁性層122の周
囲に第2の磁性層123が配置されている。図12
(b)の状態から第2の磁性層123が第1の磁性層1
22に重なった部分をCMP等の手法で研磨するか、或
は、重なった部分を指定してエッチングすることによ
り、図12(c)の形状を得ることができる。
FIG. 12C shows a state in which all patterning has been completed. A second magnetic layer 123 is arranged around the first magnetic layer 122. FIG.
From the state of (b), the second magnetic layer 123 is replaced with the first magnetic layer 1.
The shape shown in FIG. 12C can be obtained by polishing the portion overlapping the portion 22 by a method such as CMP or by specifying the overlapping portion and etching.

【0152】ここでは、遷移金属が優勢なフェリ磁性体
を使って上述した方法により実験を行った。第1の磁性
層としてTb20Feを用い、第2の磁性層としてTb18
Feを用いて、それぞれの膜厚を30nmとした。Tb
−Fe系の垂直磁化膜ではTb成分が25%付近に補償
組成があるので、25%以下では遷移金属である遷移金
属が優勢となり、25%以上では希土類金属である希土
類金属が優勢となる。
Here, an experiment was conducted by the above-described method using a ferrimagnetic material in which a transition metal is predominant. Tb 20 Fe was used for the first magnetic layer, and Tb 18 Fe was used for the second magnetic layer.
Each film thickness was 30 nm using Fe. Tb
Since the Tb component has a compensation composition in the vicinity of 25% in the -Fe-based perpendicular magnetization film, the transition metal, which is a transition metal, is dominant below 25%, and the rare earth metal, which is rare earth metal, is dominant above 25%.

【0153】図12の手順に従って、先ず、第1の磁性
層としてTb20Feを基板上に成膜した。ここで用いた
基板は、(1,0,0)の結晶方位を持つ4インチのS
iウエハに1μmの熱酸化膜を形成したものである。T
20Feの成膜にはマグネトロンスパッタ法を用い、T
bターゲットとFeターゲットによるコスパッタを行っ
た。希土類金属は酸化しやすいためロードロック室を持
つ装置を使った。スパッタ室の到達圧力は−5乗Pa以
下であった。
According to the procedure shown in FIG. 12, first, Tb 20 Fe was formed as a first magnetic layer on a substrate. The substrate used here was a 4-inch S with a (1,0,0) crystal orientation.
A 1 μm thermal oxide film is formed on an i-wafer. T
The magnetron sputtering method is used for the film formation of b 20 Fe,
Co-sputtering was performed using the b target and the Fe target. Since rare earth metals are easily oxidized, a device with a load lock chamber was used. The ultimate pressure of the sputtering chamber was −5 Pa or less.

【0154】予め、フォトリソグラフィによりレジスト
マスクを作成した基板上に、マグネトロンスパッタに
て、第1の磁性層として30nmのTb20Feを成膜
し、次に、酸化防止膜として2nmのPtを成膜した。
取り出した基板に対してアセトンの超音波洗浄でリフト
オフを行い、パターン形状を形成した。
A 30 nm Tb 20 Fe film is formed as a first magnetic layer by magnetron sputtering on a substrate on which a resist mask has been formed by photolithography in advance, and then a 2 nm Pt film is formed as an antioxidant film. Filmed.
The substrate was lifted off by ultrasonic cleaning with acetone to form a pattern.

【0155】次に、フォトリソグラフィにより、第2の
磁性層のパターン形状のレジストマスクを作成した。マ
スクが作成された基板を再びマグネトロンスパッタ装置
に投入し、十分な脱気後に、第2の磁性層であるTb18
Feを30nm成膜し、次に、酸化防止膜としてPtを
2nm成膜した。
Next, a resist mask having a pattern shape of the second magnetic layer was formed by photolithography. The substrate on which the mask has been formed is again put into a magnetron sputtering apparatus, and after sufficient degassing, the second magnetic layer Tb 18
Fe was deposited to a thickness of 30 nm, and then Pt was deposited to a thickness of 2 nm as an antioxidant film.

【0156】これらが成膜された後の基板は、アセトン
の超音波洗浄でリフトオフを行った。
The substrate after these films were formed was lifted off by ultrasonic cleaning of acetone.

【0157】次に、第2の磁性層のパターニングが終了
した基板を、再びマグネトロンスパッタ装置に投入し、
今度はマスクなしで全体に100nmのSiNを成膜し
た。
Next, the substrate on which the patterning of the second magnetic layer has been completed is again put into a magnetron sputtering apparatus.
This time, a 100 nm SiN film was formed entirely without a mask.

【0158】次に、基板をCMP装置に投入し、第1の
磁性層と第2の磁性層が重なった領域を平坦化した。
Next, the substrate was put into a CMP apparatus, and a region where the first magnetic layer and the second magnetic layer overlapped was planarized.

【0159】平坦化が終了した基板の膜面に対して垂直
方向に25kOeの磁界を掛けて着磁を行った。次に、
着磁した後の基板をMFM装置に導入し、サンプルの磁
化方向を確認した。
Magnetization was performed by applying a magnetic field of 25 kOe in a direction perpendicular to the film surface of the substrate after the planarization. next,
The substrate after the magnetization was introduced into the MFM apparatus, and the magnetization direction of the sample was confirmed.

【0160】また、比較用サンプルとして、第1の磁性
層及び第2の磁性層をTb20Feとしたサンプルを作成
した。そして、第3の実施例のサンプルと比較用サンプ
ルとで、磁化方向を反転させるために必要な磁界の大き
さを比較した。
As a comparative sample, a sample in which the first magnetic layer and the second magnetic layer were Tb 20 Fe was prepared. Then, the magnitude of the magnetic field required to reverse the magnetization direction was compared between the sample of the third embodiment and the comparative sample.

【0161】評価方法としては、MFM装置を用いてサ
ンプルの磁化方向を確認し、反転に必要な印可磁界の大
きさを比較することで評価した。実験の結果、第3の実
施例のサンプルは、比較用サンプルよりも小さな磁界が
印加されるだけで磁化が反転することが観察された。結
果を表2に示す。 (第4の実施例)第1の磁性層の周囲にフォトリソグラ
フィで第2の磁性層を形成することにより、反転磁界を
低減した磁性素子の他の例を示す。
The evaluation was performed by confirming the magnetization direction of the sample using an MFM apparatus and comparing the magnitude of an applied magnetic field required for reversal. As a result of the experiment, it was observed that the magnetization of the sample of the third example was reversed only by applying a smaller magnetic field than that of the comparative sample. Table 2 shows the results. (Fourth Embodiment) Another example of a magnetic element in which a reversal magnetic field is reduced by forming a second magnetic layer around the first magnetic layer by photolithography will be described.

【0162】ここでは、希土類金属が優勢な希土類―遷
移金属からなるフェリ磁性体を磁性素子の構成材料とし
て用いた。
Here, a ferrimagnetic material composed of a rare earth-transition metal in which a rare earth metal is predominant was used as a constituent material of the magnetic element.

【0163】第1の磁性層としてTb26Feを用い、第
2の磁性層としてTb28Feを用いて、それぞれの膜厚
を30nmとした。Tb−Fe系の垂直磁化膜ではTb
成分が25%付近に補償組成があるので、25%以下で
は遷移金属であるFeが優勢となり、25%以上では希
土類金属であるTbが優勢となる。
Tb 26 Fe was used for the first magnetic layer, and Tb 28 Fe was used for the second magnetic layer. In a Tb-Fe-based perpendicular magnetization film, Tb
Since the component has a compensation composition in the vicinity of 25%, Fe as a transition metal becomes dominant below 25%, and Tb as a rare earth metal becomes dominant above 25%.

【0164】図12の手順に従って、先ず、第1の磁性
層であるTb26Feを基板上に成膜した。ここで用いた
基板は、(1,0,0)の結晶方位を持つ4インチのS
iウエハに1μmの熱酸化膜を形成したものである。T
26Feの成膜にはマグネトロンスパッタ法を用い、T
bターゲットとFeターゲットによるコスパッタを行っ
た。希土類金属は酸化しやすいためロードロック室を持
つ装置を使った。スパッタ室の到達圧力は−5乗Pa以
下であった。
According to the procedure shown in FIG. 12, first, Tb 26 Fe as a first magnetic layer was formed on a substrate. The substrate used here was a 4-inch S with a (1,0,0) crystal orientation.
A 1 μm thermal oxide film is formed on an i-wafer. T
The magnetron sputtering method was used to deposit b 26 Fe,
Co-sputtering was performed using the b target and the Fe target. Since rare earth metals are easily oxidized, a device with a load lock chamber was used. The ultimate pressure of the sputtering chamber was −5 Pa or less.

【0165】予め、フォトリソグラフィによりレジスト
マスクを作成した基板上に、マグネトロンスパッタに
て、第1の磁性層として30nmのTb26Feを成膜
し、次に、酸化防止膜として2nmのPtを成膜した。
取り出した基板に対してアセトンの超音波洗浄でリフト
オフを行い、パターン形状を形成した。
A 30 nm Tb 26 Fe film is formed as a first magnetic layer by magnetron sputtering on a substrate on which a resist mask has been previously formed by photolithography, and then a 2 nm Pt film is formed as an antioxidant film. Filmed.
The substrate was lifted off by ultrasonic cleaning with acetone to form a pattern.

【0166】次に、フォトリソグラフィにより、第2の
磁性層のパターン形状のレジストマスクを作成した。マ
スクが作成された基板を再びマグネトロンスパッタ装置
に投入し、十分な脱気後に、第2の磁性層であるTb28
Feを30nm成膜し、次に、酸化防止膜としてPtを
2nm成膜した。
Next, a resist mask having a pattern shape of the second magnetic layer was formed by photolithography. The substrate on which the mask has been formed is again put into a magnetron sputtering apparatus, and after sufficient degassing, the second magnetic layer Tb 28
Fe was deposited to a thickness of 30 nm, and then Pt was deposited to a thickness of 2 nm as an antioxidant film.

【0167】これらが成膜された後の基板は、アセトン
の超音波洗浄でリフトオフを行った。
The substrate after these films were formed was lifted off by ultrasonic cleaning with acetone.

【0168】次に、第2の磁性層のパターニングが終了
した基板を、再びマグネトロンスパッタ装置に投入し、
今度はマスクなしで全体に100nmのSiNを成膜し
た。
Next, the substrate on which the patterning of the second magnetic layer has been completed is again put into a magnetron sputtering apparatus.
This time, a 100 nm SiN film was formed entirely without a mask.

【0169】次に、基板をCMP装置に投入し、第1の
磁性層と第2の磁性層が重なった領域を平坦化した。
Next, the substrate was put into a CMP apparatus, and a region where the first magnetic layer and the second magnetic layer overlapped was planarized.

【0170】平坦化が終了した基板の膜面に対して垂直
方向に25kOeの磁界を掛けて着磁を行った。次に、
着磁した後の基板をMFM装置に導入し、サンプルの磁
化方向を確認した。
Magnetization was performed by applying a magnetic field of 25 kOe in a direction perpendicular to the film surface of the substrate after the planarization. next,
The substrate after the magnetization was introduced into the MFM apparatus, and the magnetization direction of the sample was confirmed.

【0171】また、比較用サンプルとして、第1の磁性
層及び第2の磁性層をTb26Feとしたサンプルを作成
した。そして、第4の実施例のサンプルと比較用サンプ
ルとで、磁化方向を反転させるために必要な磁界の大き
さを比較した。
As a comparative sample, a sample in which the first magnetic layer and the second magnetic layer were Tb 26 Fe was prepared. Then, the magnitude of the magnetic field required to reverse the magnetization direction was compared between the sample of the fourth embodiment and the comparative sample.

【0172】評価方法としては、MFM装置を用いてサ
ンプルの磁化方向を確認し、反転に必要な印可磁界の大
きさを比較することで評価した。実験の結果、第4の実
施例のサンプルは、比較用サンプルより小さな磁界を印
加されるだけで磁化が反転することが観察された。結果
を表2に示す。 (第5の実施例)第1の磁性層の周囲に第1の磁性層の
改質物である第2の磁性層を配置することにより、保磁
力を低下させた磁性素子の他の例を示す。第1の磁性層
を酸化させることにより、第1の磁性層の側壁部に第2
の磁性層を作成した。
The evaluation was performed by confirming the magnetization direction of the sample using an MFM apparatus and comparing the magnitude of an applied magnetic field required for reversal. As a result of the experiment, it was observed that the magnetization of the sample of the fourth example was reversed only by applying a magnetic field smaller than that of the comparative sample. Table 2 shows the results. (Fifth Embodiment) Another example of a magnetic element in which the coercive force is reduced by disposing a second magnetic layer, which is a modified product of the first magnetic layer, around the first magnetic layer will be described. . By oxidizing the first magnetic layer, the second magnetic layer is formed on the side wall of the first magnetic layer.
Was formed.

【0173】ここでは、遷移金属が優勢なフェリ磁性体
を使って実験を行った。
Here, an experiment was conducted using a ferrimagnetic material in which a transition metal is predominant.

【0174】第1の磁性層としてTb20Feを用い、膜
厚を30nmとした。Tb−Fe系の垂直磁化膜ではT
b成分が25%付近に補償組成があるため、25%以下
では遷移金属であるFeが優勢となり、25%以上では
希土類金属であるTbが優勢となる。
Tb 20 Fe was used as the first magnetic layer, and the film thickness was 30 nm. In a Tb-Fe-based perpendicular magnetization film, T
Since the b component has a compensation composition in the vicinity of 25%, Fe, which is a transition metal, becomes dominant below 25%, and Tb, which is a rare earth metal, becomes dominant above 25%.

【0175】図12の手順に従って、先ず、第1の磁性
層であるTb20Feを基板上に成膜した。ここで用いた
基板は、(1,0,0)の結晶方位を持つ4インチのS
iウエハに1μmの熱酸化膜を形成したものである。T
20Feの成膜にはマグネトロンスパッタ法を用い、T
bターゲットとFeターゲットによるコスパッタを行っ
た。希土類金属は酸化しやすいためロードロック室を持
つ装置を使った。スパッタ室の到達圧力は−5乗Pa以
下であった。
According to the procedure shown in FIG. 12, first, Tb 20 Fe as a first magnetic layer was formed on a substrate. The substrate used here was a 4-inch S with a (1,0,0) crystal orientation.
A 1 μm thermal oxide film is formed on an i-wafer. T
The magnetron sputtering method is used for the film formation of b 20 Fe,
Co-sputtering was performed using the b target and the Fe target. Since rare earth metals are easily oxidized, a device with a load lock chamber was used. The ultimate pressure of the sputtering chamber was −5 Pa or less.

【0176】予め、フォトリソによりレジストマスクを
作成した基板上に、マグネトロンスパッタにて、第1の
磁性層として30nmのTb20Feを成膜した。次に、
取り出した基板は、アセトンの超音波洗浄でリフトオフ
を行い、パターン形状を形成した。
A 30 nm-thick Tb 20 Fe film was formed as a first magnetic layer by magnetron sputtering on a substrate on which a resist mask was formed by photolithography in advance. next,
The substrate taken out was lifted off by ultrasonic cleaning with acetone to form a pattern.

【0177】次に、パターニングの完了した基板を大気
中に約1日放置して、第1の磁性層の周囲を酸化させ
た。酸化した第1の磁性層ではTbの磁性が失われるた
め、より遷移金属が優勢の傾向が強まる。したがって、
第1の磁性層の周囲には磁気異方性が小さい第2の磁性
層が実質的に形成される。
Next, the substrate on which patterning was completed was left in the air for about one day to oxidize the periphery of the first magnetic layer. Since the oxidized first magnetic layer loses the magnetism of Tb, the transition metal becomes more dominant. Therefore,
A second magnetic layer having a small magnetic anisotropy is substantially formed around the first magnetic layer.

【0178】基板の膜面に対して垂直方向に25kOe
の磁界を掛けて着磁を行った。次に、着磁した後の基板
をMFM装置に導入し、サンプルの磁化方向を確認し
た。
25 kOe perpendicular to the film surface of the substrate
The magnetic field was applied to perform magnetization. Next, the substrate after the magnetization was introduced into the MFM device, and the magnetization direction of the sample was confirmed.

【0179】また、比較用サンプルとして、第1の磁性
層を成膜した直後に、マグネトロンスパッタにて2nm
のPtを酸化防止膜として成膜したサンプルを作成し
た。そして、第5の実施例のサンプルと比較用サンプル
とで、磁化方向を反転させるために必要な磁界の大きさ
を比較した。
As a comparative sample, immediately after forming the first magnetic layer, 2 nm was formed by magnetron sputtering.
A sample in which Pt was formed as an antioxidant film was prepared. Then, the magnitude of the magnetic field required to reverse the magnetization direction was compared between the sample of the fifth embodiment and the comparative sample.

【0180】評価方法としては、MFM装置を用いてサ
ンプルの磁化方向を確認し、反転に必要な印可磁界の大
きさを比較することで評価した。実験の結果、第5の実
施例のサンプルは、比較用サンプルより小さな磁界を印
可するだけで磁化が反転することが観察された。結果を
表2に示す。 (第6の実施例)第1の磁性層の周囲にフォトリソグラ
フィで第2の磁性層を形成することにより、反転磁界を
低減した磁性素子の他の例を示す。磁性素子の構成材料
としては面内磁化膜を用いた。面内磁化膜の一例として
FeとCoを使った。
The evaluation was performed by confirming the magnetization direction of the sample using an MFM apparatus and comparing the magnitude of an applied magnetic field required for reversal. As a result of the experiment, it was observed that the magnetization of the sample of the fifth example was reversed only by applying a magnetic field smaller than that of the comparative sample. Table 2 shows the results. (Sixth Embodiment) Another example of a magnetic element in which the reversal magnetic field is reduced by forming a second magnetic layer around the first magnetic layer by photolithography will be described. An in-plane magnetized film was used as a constituent material of the magnetic element. Fe and Co were used as an example of the in-plane magnetized film.

【0181】第1の磁性層としてFeを用い、第2の磁
性層としてCoを用い、それぞれの膜厚を30nmとし
た。
[0181] Fe was used for the first magnetic layer, and Co was used for the second magnetic layer, and each film thickness was 30 nm.

【0182】図12の手順に従って、先ず、第1の磁性
層であるFeを基板上に成膜した。ここで用いた基板
は、(1,0,0)の結晶方位を持つ4インチのSiウ
エハに1μmの熱酸化膜を形成したものである。ロード
ロック室を持つ装置を使い、スパッタ室の到達圧力は−
5乗Pa以下であった。
According to the procedure shown in FIG. 12, first, Fe as the first magnetic layer was formed on a substrate. The substrate used here was a 1-.mu.m thermal oxide film formed on a 4-inch Si wafer having a (1,0,0) crystal orientation. Using a device with a load lock chamber, the ultimate pressure of the sputtering chamber is-
It was 5 Pa or less.

【0183】予め、フォトリソグラフィによりレジスト
マスクを作成した基板上に、マグネトロンスパッタに
て、第1の磁性層として30nmのFeを成膜し、次
に、酸化防止膜として2nmのPtを成膜した。
On a substrate on which a resist mask was previously formed by photolithography, 30 nm of Fe was formed as a first magnetic layer by magnetron sputtering, and then 2 nm of Pt was formed as an antioxidant film. .

【0184】取り出された基板は、アセトンの超音波洗
浄でリフトオフを行い、パターン形状を形成した。
The substrate thus taken out was lifted off by ultrasonic cleaning with acetone to form a pattern.

【0185】次に、フォトリソグラフィにより、第2の
磁性層のパターン形状のレジストマスクを作成した。マ
スクが作成された基板を再びマグネトロンスパッタ装置
に投入し、十分な脱気後に、第2の磁性層であるCoを
30nm成膜し、次に、酸化防止膜としてPtを2nm
成膜した。
Next, a resist mask having a pattern shape of the second magnetic layer was formed by photolithography. The substrate on which the mask has been formed is again put into a magnetron sputtering apparatus, and after sufficient degassing, a second magnetic layer of Co is formed to a thickness of 30 nm, and then Pt is formed as an antioxidant film to a thickness of 2 nm.
A film was formed.

【0186】これらが成膜された後の基板は、アセトン
の超音波洗浄でリフトオフを行った。
The substrate after these films were formed was lifted off by ultrasonic cleaning of acetone.

【0187】次に、第2の磁性層のパターニングが終了
した基板を、再びマグネトロンスパッタ装置に投入し、
今度はマスクなしで全体に100nmのSiNを成膜し
た。
Next, the substrate on which the patterning of the second magnetic layer has been completed is again put into a magnetron sputtering apparatus.
This time, a 100 nm SiN film was formed entirely without a mask.

【0188】次に、基板をCMP装置に投入し、第1の
磁性層と第2の磁性層の重なった領域を平坦化した。
Next, the substrate was put into a CMP apparatus, and a region where the first magnetic layer and the second magnetic layer overlapped was planarized.

【0189】平坦化が終了した基板の膜面に対して垂直
方向に25kOeの磁界を掛けて着磁を行った。次に、
着磁した後の基板をMFM装置に導入し、サンプルの磁
化方向を確認した。
Magnetization was performed by applying a magnetic field of 25 kOe in a direction perpendicular to the film surface of the substrate after the planarization. next,
The substrate after the magnetization was introduced into the MFM apparatus, and the magnetization direction of the sample was confirmed.

【0190】また、比較用サンプルとして、第1の磁性
層及び第2の磁性層をFeとしたサンプルを作成した。
そして、第6の実施例のンプルと比較用サンプルとで、
磁化方向を反転させるために必要な磁界の大きさを比較
した。
Further, as a comparative sample, a sample in which the first magnetic layer and the second magnetic layer were Fe was prepared.
Then, with the sample of the sixth embodiment and the sample for comparison,
The magnitude of the magnetic field required to reverse the magnetization direction was compared.

【0191】評価方法としては、MFM装置を用いてサ
ンプルの磁化方向を確認し、反転に必要な印可磁界の大
きさを比較することで評価した。実験の結果、本発明の
サンプルの方が、比較用サンプルと比べ、小さな印可磁
界で磁化反転が観察されることがわかった。結果を表2
に示す。
The evaluation was performed by confirming the magnetization direction of the sample using an MFM apparatus and comparing the magnitude of an applied magnetic field required for reversal. As a result of the experiment, it was found that the magnetization reversal of the sample of the present invention was observed with a smaller applied magnetic field than the comparative sample. Table 2 shows the results
Shown in

【0192】[0192]

【表2】 [Table 2]

【0193】(第7の実施例)保磁力を低減させた磁性
素子を用いたトンネル磁気抵抗効果素子の一例を示す。
(Seventh Embodiment) An example of a tunnel magnetoresistance effect element using a magnetic element with reduced coercive force will be described.

【0194】トンネル磁気抵抗効果素子は、下部強磁性
層と上部強磁性層で非磁性絶縁層を挟んだ構成であり、
本発明により保磁力を低減させた磁性素子を上部及び下
部強磁性層として用いた。
The tunnel magneto-resistance effect element has a structure in which a non-magnetic insulating layer is sandwiched between a lower ferromagnetic layer and an upper ferromagnetic layer.
Magnetic elements having reduced coercive force according to the present invention were used as upper and lower ferromagnetic layers.

【0195】図8に示すように、イオンミリングによる
加工後の酸化処理で側壁部を改質する製造方法で上部及
び下部強磁性層の双方を作成した。
As shown in FIG. 8, both the upper and lower ferromagnetic layers were formed by a manufacturing method in which the side wall portion was modified by oxidation treatment after processing by ion milling.

【0196】図13を参照してトンネル磁気抵抗効果素
子の作成方法について説明する。
Referring to FIG. 13, a method of forming a tunnel magnetoresistive element will be described.

【0197】図13(a)は、加工する前のトンネル接
合の断面形状を示す模式図である。基板131上に、フ
リー層となる磁性層132、ピン層となる磁性層13
4、導電性保護層135、パターン形成後のレジスト1
36が形成されている。磁性層132と磁性層134の
間にトンネル膜133がある。ここで、素子の加工はイ
オンミリングやRIE等により行われる。また、加工の
後に、レジスト136を残したまま絶縁膜で周りを埋め
込み、リフトオフによってトンネル接合を完成させる手
法が広く用いられている。
FIG. 13A is a schematic diagram showing a cross-sectional shape of a tunnel junction before processing. A magnetic layer 132 serving as a free layer and a magnetic layer 13 serving as a pinned layer are formed on a substrate 131.
4. Conductive protective layer 135, resist 1 after pattern formation
36 are formed. There is a tunnel film 133 between the magnetic layer 132 and the magnetic layer 134. Here, processing of the element is performed by ion milling, RIE, or the like. In addition, a method is widely used in which after processing, the periphery is buried with an insulating film while leaving the resist 136, and a tunnel junction is completed by lift-off.

【0198】図13(b)は、比較用の例であり、フォ
トリソグラフィで作成したレジストマスクでイオンミリ
ングすることで素子を作成する加工の後のトンネル接合
部の断面図である。図13(b)を参照すると、レジス
ト136を残した領域にトンネル接合が形成されてい
る。その領域の両脇は絶縁層139で埋められている。
FIG. 13 (b) is a comparative example, and is a cross-sectional view of a tunnel junction after processing for forming an element by ion milling with a resist mask formed by photolithography. Referring to FIG. 13B, a tunnel junction is formed in a region where the resist 136 is left. Both sides of the region are filled with an insulating layer 139.

【0199】図13(c)は、第1の磁性層の側壁部を
酸化処理することで、第1の磁性層の改質物である第2
の磁性層を作成したトンネル接合部の断面図である。
FIG. 13C shows that the side wall portion of the first magnetic layer is oxidized to form the second magnetic layer which is a modified product of the first magnetic layer.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a tunnel junction where a magnetic layer is formed.

【0200】図13(b)と比較すると判るように、ト
ンネル接合の周囲に、磁性層132から改質した磁性層
137と、磁性層134から改質した磁性層138が形
成されている。磁性層137は、磁性層132を第1の
磁性層とした場合の第2の磁性層に相当する。磁性層1
38は、磁性層134を第1の磁性層とした場合の第2
の磁性層に相当する。
As can be seen from comparison with FIG. 13B, a magnetic layer 137 modified from the magnetic layer 132 and a magnetic layer 138 modified from the magnetic layer 134 are formed around the tunnel junction. The magnetic layer 137 corresponds to a second magnetic layer when the magnetic layer 132 is a first magnetic layer. Magnetic layer 1
38 denotes a second magnetic layer when the magnetic layer 134 is a first magnetic layer.
Of the magnetic layer.

【0201】次に、実験に供した材料を具体的に述べな
がら工程を説明する。
Next, the steps will be described while specifically describing the materials used in the experiment.

【0202】基板131は1μmの熱酸化膜を形成した
(1,0,0)のSiウエハである。
The substrate 131 is a (1, 0, 0) Si wafer having a 1 μm thermal oxide film formed thereon.

【0203】基板131上に成膜した磁性層132,1
34、トンネル膜133及び導電性保護層135の各材
質と膜厚を表3に示す。これらの成膜はマグネトロンス
パッタで行った。トンネル膜134は、Al23をRf
スパッタで成膜した後に、酸素プラズマ処理(0.2P
a,Rf5W,30sec)をすることで形成した。
The magnetic layers 132, 1 formed on the substrate 131
Table 3 shows the materials and thicknesses of the layer 34, the tunnel film 133, and the conductive protective layer 135. These films were formed by magnetron sputtering. The tunnel film 134 converts Al 2 O 3 into Rf.
After film formation by sputtering, oxygen plasma treatment (0.2P
a, Rf5W, 30 sec).

【0204】[0204]

【表3】 [Table 3]

【0205】成膜が終了したサンプルにレジストを塗布
し、フォトリソグラフィによってトンネル接合のマスク
パターンを形成した。具体的には、東京応化LOR−P
003を用いて約1.2μm厚のレジスト膜を形成し、
ハロゲン光による密着露光6秒を行ってパターンを形成
した。
A resist was applied to the sample on which the film formation was completed, and a mask pattern of a tunnel junction was formed by photolithography. Specifically, Tokyo Ohka LOR-P
Forming a resist film of about 1.2 μm thickness using 003;
A pattern was formed by performing contact exposure with halogen light for 6 seconds.

【0206】レジストパターンが形成された基板をイオ
ンミリング装置に導入し、トンネル素子を形成するため
の加工を行った。
The substrate on which the resist pattern was formed was introduced into an ion milling machine, and processed to form a tunnel element.

【0207】ここで、加工が終了した直後に、絶縁層の
成膜を行ったものを比較用サンプルとした。比較用サン
プルは、図13(b)に示したような断面形状である。
Here, a sample on which an insulating layer was formed immediately after the processing was completed was used as a comparative sample. The comparative sample has a cross-sectional shape as shown in FIG.

【0208】また、加工が終了した後に一旦大気暴露し
て磁性層137,138を形成し、更に、絶縁層139
の成膜を行ったものを第7の実施例のサンプルとした。
第7の実施例のサンプルは、図13(c)に示したよう
な断面形状である。
After the processing is completed, the magnetic layers 137 and 138 are once exposed to the atmosphere to form magnetic layers 137 and 138.
The sample formed in Example 7 was used as a sample of the seventh embodiment.
The sample of the seventh embodiment has a sectional shape as shown in FIG.

【0209】次に、トンネル接合の加工が終了した基板
を再びフォトリソグラフィ工程に戻し、上部電極用のレ
ジストマスクを形成した。次に、マグネトロンスパッタ
装置で50nmのAlを上部電極膜として成膜し、トン
ネル磁気抵抗効果素子を完成させた。接合面積は200
μm2である。
Next, the substrate after the completion of the tunnel junction processing was returned to the photolithography step again to form a resist mask for the upper electrode. Next, 50 nm of Al was formed as an upper electrode film using a magnetron sputtering apparatus, thereby completing a tunnel magnetoresistive effect element. The bonding area is 200
μm 2 .

【0210】ここで、素子の特性を磁気抵抗測定装置で
測定し、評価した。外部磁界は1kOeまで印加し、素
子に流す電流は1μAとした。また、プローブによる接
触抵抗の影響を取り除くため4端子測定を行った。磁化
反転が生じる磁界をHcとして第7の実施例のサンプル
と比較用サンプルとで、磁界Hcの値を比較した。結果
を表4に示す。 (第8の実施例)保磁力を低減させた磁性素子を用いた
トンネル磁気抵抗効果素子の他の例を示す。
Here, the characteristics of the element were measured and evaluated using a magnetoresistance measuring device. The external magnetic field was applied up to 1 kOe, and the current flowing through the element was 1 μA. In addition, four-terminal measurement was performed to remove the influence of the contact resistance due to the probe. The value of the magnetic field Hc was compared between the sample of the seventh embodiment and the comparative sample, where Hc is the magnetic field at which the magnetization reversal occurs. Table 4 shows the results. (Eighth Embodiment) Another example of a tunnel magnetoresistive element using a magnetic element with reduced coercive force will be described.

【0211】トンネル磁気抵抗効果素子は、下部強磁性
層と上部強磁性層で非磁性絶縁層を挟んだ構成であり、
本発明により保磁力を低減させた磁性素子を上部及び下
部強磁性層として用いた。
The tunnel magneto-resistance effect element has a structure in which a non-magnetic insulating layer is sandwiched between a lower ferromagnetic layer and an upper ferromagnetic layer.
Magnetic elements having reduced coercive force according to the present invention were used as upper and lower ferromagnetic layers.

【0212】図8に示すように、FIBで側壁部を改質
する製造工程で上部及び下部強磁性層の双方を作成し
た。ここで、実験に供したサンプルの基板及び磁性膜の
層構成と、比較用サンプルは第7の実施例同一である。
As shown in FIG. 8, both the upper and lower ferromagnetic layers were formed in a manufacturing process in which the side wall was modified with FIB. Here, the layer configuration of the substrate and the magnetic film of the sample used for the experiment and the comparative sample are the same as those of the seventh embodiment.

【0213】成膜が終了した後に、サンプルに対してフ
ォトリソグラフィにより微細加工して下部電極等を形成
した。更に、単層膜からなる磁性素子を形成し、図5
(b)と同様にして、Gaをイオン源とする集束イオン
ビーム(加速電圧30kV)でトンネル素子を形成する
加工を行った。
After the film formation was completed, the sample was finely processed by photolithography to form a lower electrode and the like. Further, a magnetic element composed of a single layer film is formed, and FIG.
In the same manner as in (b), processing for forming a tunnel element with a focused ion beam using Ga as an ion source (acceleration voltage: 30 kV) was performed.

【0214】その際に図5(b)と同様に、素子周囲に
テーパが生じるように集束イオンビームを照射すること
により、上部及び下部強磁性層の素子周囲部分を改質し
た。改質した部分では、Gaイオンにより上部強磁性層
内部の磁気結合鎖が部分的に断ち切られているので、磁
気異方性が減少している。
At that time, similarly to FIG. 5B, the peripheral portions of the upper and lower ferromagnetic layers were modified by irradiating a focused ion beam so that the periphery of the device was tapered. In the modified portion, the magnetic anisotropy is reduced because the magnetic coupling chain inside the upper ferromagnetic layer is partially cut off by Ga ions.

【0215】トンネル接合の加工が終了した基板を再び
フォトリソ工程に戻し、上部電極用のレジストマスクを
形成した。マグネトロンスパッタ装置で、50nmのA
lを上部電極膜として成膜し、トンネル磁気抵抗効果素
子を完成させた。
The substrate after the completion of the tunnel junction processing was returned to the photolithography step again to form a resist mask for the upper electrode. A 50nm A
1 was formed as an upper electrode film to complete a tunnel magnetoresistive effect element.

【0216】そして、磁性素子の特性を第7の実施例と
同一条件で評価した。結果を表4に示す。 (第9の実施例)保磁力を低減させた磁性素子を用いた
トンネル磁気抵抗効果素子の他の例を示す。
Then, the characteristics of the magnetic element were evaluated under the same conditions as in the seventh embodiment. Table 4 shows the results. (Ninth Embodiment) Another example of a tunnel magnetoresistive element using a magnetic element with reduced coercive force will be described.

【0217】トンネル磁気抵抗効果素子は、下部強磁性
層と上部強磁性層で非磁性絶縁層を挟んだ構成であり、
本発明により保磁力を低減させた磁性素子を上部及び下
部強磁性層として用いた。
The tunnel magnetoresistance effect element has a structure in which a nonmagnetic insulating layer is sandwiched between a lower ferromagnetic layer and an upper ferromagnetic layer.
Magnetic elements having reduced coercive force according to the present invention were used as upper and lower ferromagnetic layers.

【0218】図9に示すように、イオンビーム照射によ
り上部強磁性層を部分的に改質した。ここで、実験に供
したサンプルの基板及び磁性膜の層構成と、比較用サン
プルは非磁性導電層を除き、第7の実施例と同一であ
る。また、非磁性導電層の厚さは、部分的なイオン注入
を可能にするため25nmのSiとした。
As shown in FIG. 9, the upper ferromagnetic layer was partially modified by ion beam irradiation. Here, the layer configuration of the substrate and the magnetic film of the sample used for the experiment and the comparative sample are the same as those of the seventh embodiment except for the nonmagnetic conductive layer. The thickness of the nonmagnetic conductive layer was 25 nm of Si to enable partial ion implantation.

【0219】成膜が終了した後に、サンプルに対してフ
ォトリソグラフィにより微細加工し、下部電極及びトン
ネル素子を形成した。更に、単層膜からなる磁性素子を
形成し、図6(a)と同様に、Gaをイオン源とする集
束イオンビーム(加速電圧30kV)で上部強磁性層を
部分的に改質する加工を行った。
[0219] After the film formation was completed, the sample was finely processed by photolithography to form a lower electrode and a tunnel element. Further, a magnetic element composed of a single-layer film is formed, and a process of partially modifying the upper ferromagnetic layer with a focused ion beam (accelerating voltage 30 kV) using Ga as an ion source is performed as in FIG. went.

【0220】その際に図6(b)と同様に、上部強磁性
層内部にGaイオンを注入するため素子上部の全面にイ
オンビームを照射した。Gaの上部強磁性層への注入を
完全に防ぎ切れないような導電性保護層の膜厚に設定さ
れているので、イオンが上部強磁性層内部の磁気結合鎖
を部分的に断ち切り、上部強磁性層の一部が低保磁力層
となる。
At this time, as in FIG. 6B, the entire upper surface of the element was irradiated with an ion beam in order to implant Ga ions into the upper ferromagnetic layer. Since the thickness of the conductive protective layer is set so as not to completely prevent the injection of Ga into the upper ferromagnetic layer, the ions partially cut off the magnetic coupling chains inside the upper ferromagnetic layer, and Part of the magnetic layer becomes a low coercive force layer.

【0221】トンネル接合の加工が終了した基板を再び
フォトリソグラフィ工程に戻し、上部電極用のレジスト
マスクを形成した。マグネトロンスパッタ装置で、50
nmのAlを上部電極膜として成膜し、トンネル磁気抵
抗効果素子を完成させた。
The substrate after the completion of the tunnel junction processing was returned to the photolithography step again to form a resist mask for the upper electrode. 50 with magnetron sputtering equipment
nm of Al was formed as an upper electrode film to complete a tunnel magnetoresistive element.

【0222】そして、磁性素子の特性を第7の実施例と
同一条件で評価した。結果を表4に示す。 (第10の実施例)保磁力を低減させた磁性素子を用い
たトンネル磁気抵抗効果素子の他の例を示す。
Then, the characteristics of the magnetic element were evaluated under the same conditions as in the seventh embodiment. Table 4 shows the results. (Tenth Embodiment) Another example of a tunnel magnetoresistive element using a magnetic element with reduced coercive force will be described.

【0223】トンネル磁気抵抗効果素子は、下部強磁性
層と上部強磁性層で非磁性絶縁層を挟んだ構成であり、
本発明により保磁力を低減させた磁性素子を上部及び下
部強磁性層として用いた。
The tunnel magneto-resistance effect element has a structure in which a non-magnetic insulating layer is sandwiched between a lower ferromagnetic layer and an upper ferromagnetic layer.
Magnetic elements having reduced coercive force according to the present invention were used as upper and lower ferromagnetic layers.

【0224】図10に示すように、イオンビーム照射に
より上部強磁性層を全面的に改質した。ここで、実験に
供したサンプルの基板及び磁性膜の層構成と、比較用サ
ンプルは非磁性導電層を除き、第7の実施例と同一であ
る。また、非磁性導電層の厚さは、全面的なイオン注入
を可能にするため5nmのSiとした。
As shown in FIG. 10, the upper ferromagnetic layer was entirely modified by ion beam irradiation. Here, the layer configuration of the substrate and the magnetic film of the sample used for the experiment and the comparative sample are the same as those of the seventh embodiment except for the nonmagnetic conductive layer. The thickness of the nonmagnetic conductive layer was set to 5 nm in order to enable ion implantation over the entire surface.

【0225】成膜が終了した後に、サンプルに対してフ
ォトリソグラフィにより微細加工し、下部電極等を形成
した。更に、単層膜からなる磁性素子を形成し、図6
(a)と同様に、Gaをイオン源とする集束イオンビー
ム(加速電圧30kV)で上部強磁性層を全面的に改質
する加工を行った。
After the film formation was completed, the sample was finely processed by photolithography to form a lower electrode and the like. Further, a magnetic element composed of a single layer film is formed, and FIG.
As in (a), the upper ferromagnetic layer was completely reformed with a focused ion beam (acceleration voltage: 30 kV) using Ga as an ion source.

【0226】その際に図6(c)と同様に、上部強磁性
層内部にGaイオンを注入するため素子上部の全面にイ
オンビームを照射した。Gaが上部強磁性層の膜厚全域
に渡り注入され、上部強磁性層内部の磁気結合鎖を部分
的に断ち切ることで、上部強磁性層の全体が低保磁力層
に改質される。
At this time, as in FIG. 6C, the entire upper surface of the element was irradiated with an ion beam in order to implant Ga ions into the upper ferromagnetic layer. Ga is injected over the entire thickness of the upper ferromagnetic layer and partially cuts off the magnetic coupling chain inside the upper ferromagnetic layer, whereby the entire upper ferromagnetic layer is reformed into a low coercivity layer.

【0227】トンネル接合の加工が終了した基板を再び
フォトリソグラフィ工程に戻し、上部電極用のレジスト
マスクを形成した。マグネトロンスパッタ装置で、50
nmのAlを上部電極膜として成膜し、トンネル磁気抵
抗効果素子を完成させた。
The substrate after the completion of the tunnel junction processing was returned to the photolithography step again to form a resist mask for the upper electrode. 50 with magnetron sputtering equipment
nm of Al was formed as an upper electrode film to complete the tunnel magnetoresistive element.

【0228】そして、磁性素子の特性を第7の実施例と
同一条件で評価した。結果を表4に示す。
Then, the characteristics of the magnetic element were evaluated under the same conditions as in the seventh embodiment. Table 4 shows the results.

【0229】[0229]

【表4】 [Table 4]

【0230】[0230]

【発明の効果】本発明によれば、第2の磁性層は、第1
の磁性層より磁気異方性が低いため、第1の磁性層より
も保磁力が小さいため、第1の磁性層より磁化が反転し
やすい。第2の磁性層の磁化が反転すると、第2の磁性
層から漏洩する磁界により、第1の磁性層の磁化が反転
しやすくなる。したがって、本発明の磁性素子は、第1
の磁性層が単独で存在する場合よりも小さな外部磁界で
反転するので、微細化した強磁性層において保磁力を低
減させることが可能となり、磁化と保磁力を自由に選択
して磁性素子を構成することができる。
According to the present invention, the second magnetic layer comprises the first magnetic layer.
Since the magnetic anisotropy is lower than that of the first magnetic layer, the coercive force is smaller than that of the first magnetic layer, so that the magnetization is more easily reversed than the first magnetic layer. When the magnetization of the second magnetic layer is reversed, the magnetization of the first magnetic layer is likely to be reversed due to a magnetic field leaking from the second magnetic layer. Therefore, the magnetic element of the present invention has the first
Inverts with a smaller external magnetic field than when only one magnetic layer exists, making it possible to reduce the coercive force in a miniaturized ferromagnetic layer and configure the magnetic element by freely selecting the magnetization and coercive force. can do.

【0231】また、本発明によれば、2つの磁性素子と
非磁性絶縁層からなるトンネル磁気抵抗効果素子におい
て、磁気異方性の異なる磁性層が接触してなる磁性素子
を用いれば、保磁力の小さいトンネル磁気抵抗効果素子
を実現できる。保磁力の小さい磁気メモリは、磁化の反
転が生じる外部磁界が小さいため、低消費電力である。
According to the present invention, the coercive force can be increased by using a magnetic element in which magnetic layers having different magnetic anisotropies are in contact with each other in a tunnel magnetoresistive effect element including two magnetic elements and a nonmagnetic insulating layer. The tunnel magnetoresistive effect element having a small value can be realized. A magnetic memory having a small coercive force has low power consumption because an external magnetic field in which magnetization reversal occurs is small.

【0232】また、本発明によれば、強磁性層にイオン
ビーム等を照射することにより荷電粒子を打ち込んで、
磁気異方性の低減した磁性素子を作成するプロセスを導
入するという、マスク製造工程が不要で容易な工程によ
り、保磁力を低減したトンネル磁気抵抗効果素子を製造
することができる。また、ピンポイントで要所の処理を
済ませることができる。ので、保磁力を低減させるため
の加工の生産性が高い。
According to the present invention, charged particles are injected by irradiating the ferromagnetic layer with an ion beam or the like.
A tunnel magnetoresistive element with reduced coercive force can be manufactured by an easy process that does not require a mask manufacturing step, by introducing a process for producing a magnetic element with reduced magnetic anisotropy. In addition, it is possible to complete the processing of a key point in a pinpoint manner. Therefore, the productivity of processing for reducing the coercive force is high.

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

【図1】本発明の実施形態の磁性素子の4つの形態の斜
視図である。
FIG. 1 is a perspective view of four embodiments of a magnetic element according to an embodiment of the present invention.

【図2】本実施形態の磁性素子の各磁性層の磁化方向の
変化の様子を示す断面模式図である。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing how the magnetization direction of each magnetic layer of the magnetic element of the present embodiment changes.

【図3】本実施形態の磁性素子の磁化曲線(a)及び単
独の第1の磁性層101の磁化曲線(b)の模式図であ
る。
FIG. 3 is a schematic diagram of a magnetization curve (a) of the magnetic element of the present embodiment and a magnetization curve (b) of a single first magnetic layer 101.

【図4】希土類金属と遷移金属の合金である垂直磁化膜
を用いた磁性素子の磁化の様子を示す模式図である。
FIG. 4 is a schematic diagram showing a state of magnetization of a magnetic element using a perpendicular magnetization film which is an alloy of a rare earth metal and a transition metal.

【図5】第1の磁性層に荷電粒子を注入して改質し、第
2の磁性層を得る本実施形態の磁性素子の製造方法を説
明するための模式図である。
FIG. 5 is a schematic diagram for explaining a method of manufacturing a magnetic element of the present embodiment in which charged particles are injected into a first magnetic layer and modified to obtain a second magnetic layer.

【図6】第1の磁性層に荷電粒子を注入して改質し、第
2の磁性層を得る本実施形態の磁性素子の製造方法を説
明するための模式図である。
FIG. 6 is a schematic diagram for explaining a method of manufacturing a magnetic element of the present embodiment in which charged particles are injected into a first magnetic layer and modified to obtain a second magnetic layer.

【図7】自然酸化により第1の磁性層を改質して第2の
磁性層を得る製造方法の一例を説明するための模式図で
ある。
FIG. 7 is a schematic diagram for explaining an example of a manufacturing method for modifying a first magnetic layer by natural oxidation to obtain a second magnetic layer.

【図8】本実施形態の磁性素子で非磁性絶縁層を挟んだ
構成のトンネル磁気抵抗効果素子の一例を示す斜視図で
ある。
FIG. 8 is a perspective view showing an example of a tunnel magnetoresistive element having a configuration in which a nonmagnetic insulating layer is sandwiched between magnetic elements of the present embodiment.

【図9】上部強磁性層の一部を改質して作成したトンネ
ル磁気抵抗効果素子の斜視図である。
FIG. 9 is a perspective view of a tunnel magnetoresistive element formed by modifying a part of an upper ferromagnetic layer.

【図10】上部強磁性層全体を改質して作成したトンネ
ル磁気抵抗効果素子の斜視図である。
FIG. 10 is a perspective view of a tunnel magnetoresistive element formed by modifying the entire upper ferromagnetic layer.

【図11】着磁方向によるMFM像の違いを示す図であ
る。
FIG. 11 is a diagram showing a difference in an MFM image depending on a magnetization direction.

【図12】フォトリソグラフィによって第2の磁性層を
成膜する方法を説明するための模式図である。
FIG. 12 is a schematic diagram for explaining a method of forming a second magnetic layer by photolithography.

【図13】トンネル磁気抵抗効果素子の作成方法につい
て説明するための模式図である。
FIG. 13 is a schematic diagram for explaining a method of manufacturing a tunnel magnetoresistance effect element.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101 第1の磁性層 102,102a,102b 第2の磁性層 401 第1の磁性層 402,402a,402b 第2の磁性層 501 基板 502 第1の磁性層 503 保護層 504 イオンビーム 505 第2の磁性層 506 非磁性元素 701 第1の磁性層 801 第1の磁性層 802 トンンル膜 803 第1の磁性層 804 第2の磁性層 805 第2の磁性層 806 下部センス線 807,807a,807b 上部センス線 808 導電性保護層 809 非磁性元素 810,830 第1の磁性素子 820,840,850 第2の磁性素子 121 基板 122 第1の磁性層 123 第2の磁性層 131 基板 132,134,137,138 磁性層 133 トンネル膜 135 導電性保護層 136 レジスト 139 絶縁層 101 first magnetic layer 102, 102a, 102b second magnetic layer 401 first magnetic layer 402, 402a, 402b second magnetic layer 501 substrate 502 first magnetic layer 503 protective layer 504 ion beam 505 second Magnetic layer 506 Non-magnetic element 701 First magnetic layer 801 First magnetic layer 802 Tonle film 803 First magnetic layer 804 Second magnetic layer 805 Second magnetic layer 806 Lower sense line 807, 807a, 807b Upper sense Line 808 conductive protective layer 809 non-magnetic element 810, 830 first magnetic element 820, 840, 850 second magnetic element 121 substrate 122 first magnetic layer 123 second magnetic layer 131 substrate 132, 134, 137, 138 magnetic layer 133 tunnel film 135 conductive protective layer 136 resist 139 insulating layer

───────────────────────────────────────────────────── 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 H01L 43/12 H01L 27/105 G01R 33/06 R 43/12 H01L 27/10 447 Fターム(参考) 2G017 AA10 AD55 5E049 AA04 BA06 5F083 FZ10 GA05 GA09 GA28 JA60 PR04 PR22 PR36 PR40 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) H01F 10/32 H01L 43/12 H01L 27/105 G01R 33/06 R 43/12 H01L 27/10 447 F term (Reference) 2G017 AA10 AD55 5E049 AA04 BA06 5F083 FZ10 GA05 GA09 GA28 JA60 PR04 PR22 PR36 PR40

Claims (29)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 強磁性体の保磁力を利用した磁性素子で
あって、 基板上に形成した第1の磁性層と、 前記第1の磁性層より磁気異方性が低く、前記第1の磁
性層に接触した第2の磁性層とを有する磁性素子。
1. A magnetic element utilizing coercive force of a ferromagnetic material, comprising: a first magnetic layer formed on a substrate; and a first magnetic layer having a lower magnetic anisotropy than the first magnetic layer. And a second magnetic layer in contact with the magnetic layer.
【請求項2】 前記第2の磁性層は、前記第1の磁性層
の周囲に接触している、請求項1記載の磁性素子。
2. The magnetic element according to claim 1, wherein the second magnetic layer is in contact with a periphery of the first magnetic layer.
【請求項3】 前記第2の磁性層は、前記第1の磁性層
の上部に接触している、請求項1記載の磁性素子。
3. The magnetic element according to claim 1, wherein the second magnetic layer is in contact with an upper part of the first magnetic layer.
【請求項4】 前記第1の磁性層及び前記第2の磁性層
の主たる磁化方向が膜面に対して垂直である、請求項1
記載の磁性素子。
4. The main magnetic direction of the first magnetic layer and the second magnetic layer is perpendicular to a film surface.
The magnetic element as described in the above.
【請求項5】 前記第1の磁性層及び前記第2の磁性層
は、希土類金属と遷移金属との合金である、請求項4記
載の磁性素子。
5. The magnetic element according to claim 4, wherein the first magnetic layer and the second magnetic layer are an alloy of a rare earth metal and a transition metal.
【請求項6】 前記合金は、Gd、Tb、Ho、Dy、
Fe、Co、Niのうち少なくとも2つを含む、請求項
5記載の磁性素子。
6. The alloy comprises Gd, Tb, Ho, Dy,
The magnetic element according to claim 5, comprising at least two of Fe, Co, and Ni.
【請求項7】 前記第1の磁性層及び前記第2の磁性層
の主たる磁化方向が膜面に対して水平である、請求項1
記載の磁性素子。
7. The main magnetic direction of the first magnetic layer and the second magnetic layer is horizontal to a film surface.
The magnetic element as described in the above.
【請求項8】 前記第2磁性層が前記第1磁性層の改質
物である、請求項1記載の磁性素子。
8. The magnetic element according to claim 1, wherein the second magnetic layer is a modified product of the first magnetic layer.
【請求項9】 前記改質物はGa混入物である、請求項
8記載の磁性素子。
9. The magnetic device according to claim 8, wherein the modified material is a Ga contaminant.
【請求項10】 前記改質物は酸化物である、請求項8
記載の磁性素子。
10. The method according to claim 8, wherein the reformate is an oxide.
The magnetic element as described in the above.
【請求項11】 強磁性体の保磁力を利用した磁性素子
であって、 磁気異方性の異なる磁性層を複数有する磁性素子。
11. A magnetic element using a coercive force of a ferromagnetic material, wherein the magnetic element has a plurality of magnetic layers having different magnetic anisotropies.
【請求項12】 磁気異方性の異なる2つの磁性層が接
触した構成の第1の磁性素子と、 磁気異方性の異なる2つの磁性層が接触した構成であ
り、前記第1の磁性素子と保磁力が異なる第2の磁性素
子と、 前記第1の磁性素子と前記第2の磁性素子とに挟まれた
非磁性絶縁層を有するトンネル磁気抵抗効果素子。
12. A first magnetic element having a configuration in which two magnetic layers having different magnetic anisotropies are in contact with each other, and a configuration in which two magnetic layers having different magnetic anisotropies are in contact with each other. A second magnetic element having a different coercive force from the first magnetic element; and a non-magnetic insulating layer sandwiched between the first magnetic element and the second magnetic element.
【請求項13】 単独の磁性層からなる第1の磁性素子
と、 磁気異方性の異なる2つの磁性層が接触した構成であ
り、前記第1の磁性素子と保磁力が異なる第2の磁性素
子と、 前記第1の磁性素子と前記第2の磁性素子とに挟まれた
非磁性絶縁層を有するトンネル磁気抵抗効果素子。
13. A structure in which a first magnetic element composed of a single magnetic layer and two magnetic layers having different magnetic anisotropies are in contact with each other, and a second magnetic element having a different coercive force from the first magnetic element. An element, and a tunnel magnetoresistive element having a nonmagnetic insulating layer sandwiched between the first magnetic element and the second magnetic element.
【請求項14】 磁気異方性の異なる複数の磁性層から
なる第1の磁性素子と、 磁気異方性の異なる複数の磁性層からなり、前記第1の
磁性素子と保磁力が異なる第2の磁性素子と、 前記第1の磁性素子と前記第2の磁性素子とに挟まれた
非磁性絶縁層を有するトンネル磁気抵抗効果素子。
14. A first magnetic element comprising a plurality of magnetic layers having different magnetic anisotropies, and a second magnetic element comprising a plurality of magnetic layers having different magnetic anisotropies and having a different coercive force from the first magnetic element. And a tunnel magnetoresistive element having a nonmagnetic insulating layer sandwiched between the first magnetic element and the second magnetic element.
【請求項15】 単独の磁性層からなる第1の磁性素子
と、 磁気異方性の異なる複数の磁性層からなり、前記第1の
磁性素子と保磁力が異なる第2の磁性素子と、 前記第1の磁性素子と前記第2の磁性素子とに挟まれた
非磁性絶縁層を有するトンネル磁気抵抗効果素子。
15. A first magnetic element comprising a single magnetic layer, a second magnetic element comprising a plurality of magnetic layers having different magnetic anisotropies, and having different coercive forces from the first magnetic element; A tunnel magnetoresistive element having a non-magnetic insulating layer sandwiched between a first magnetic element and the second magnetic element.
【請求項16】 基板上に第1の磁性層を形成するステ
ップと、 荷電粒子を打ち込んで前記第1の磁性層を改質し、前記
第1の磁性層より磁気異方性の低い第2の磁性層を作成
するステップを有する、磁性素子の製造方法。
16. A step of forming a first magnetic layer on a substrate, the step of implanting charged particles to modify the first magnetic layer, the second magnetic layer having a lower magnetic anisotropy than the first magnetic layer. A method for manufacturing a magnetic element, comprising:
【請求項17】 前記荷電粒子を前記第1の磁性層の側
壁部分に打ち込む、請求項16記載の磁性素子の製造方
法。
17. The method according to claim 16, wherein the charged particles are implanted into a side wall of the first magnetic layer.
【請求項18】 前記荷電粒子を前記第1の磁性層の上
面部分に打ち込む、請求項16記載の磁性素子の製造方
法。
18. The method for manufacturing a magnetic element according to claim 16, wherein said charged particles are implanted into an upper surface portion of said first magnetic layer.
【請求項19】 前記荷電粒子を打ち込むことにより、
前記第1の磁性層の概ね全体を改質する、請求項16記
載の磁性素子の製造方法。
19. By driving the charged particles,
17. The method according to claim 16, wherein substantially the entire first magnetic layer is modified.
【請求項20】 前記荷電粒子は希ガス、窒素、酸素ま
たはこれらの混合物を原料とする、請求項16記載の磁
性素子の製造方法。
20. The method according to claim 16, wherein the charged particles are made of a rare gas, nitrogen, oxygen or a mixture thereof.
【請求項21】 前記荷電粒子はGa、B、P、Asま
たはこれらの混合物を原料とする、請求項16記載の磁
性素子の製造方法。
21. The method according to claim 16, wherein the charged particles are made of Ga, B, P, As, or a mixture thereof.
【請求項22】前記荷電粒子の注入エネルギーが10〜
300keVである、請求項20または21記載の磁性
素子の製造方法。
22. An injection energy of said charged particles is 10 to 10.
22. The method for manufacturing a magnetic element according to claim 20, wherein the voltage is 300 keV.
【請求項23】 基板上に下部強磁性層、非磁性絶縁層
及び上部強磁性層を形成して素子を構成するステップ
と、 荷電粒子を打ち込んで、前記下部強磁性層または前記上
部強磁性層の少なくとも一方を改質するステップを有す
る、トンネル磁気抵抗効果素子の製造方法。
23. A step of forming an element by forming a lower ferromagnetic layer, a non-magnetic insulating layer and an upper ferromagnetic layer on a substrate; and implanting charged particles into the lower ferromagnetic layer or the upper ferromagnetic layer. A method for manufacturing a tunnel magnetoresistive element, comprising the step of modifying at least one of:
【請求項24】 前記荷電粒子を前記素子の側壁部分に
打ち込む、請求項23記載のトンネル磁気抵抗効果素子
の製造方法。
24. The method of manufacturing a tunnel magnetoresistive element according to claim 23, wherein said charged particles are implanted into a side wall portion of said element.
【請求項25】 前記荷電粒子を前記素子の上面部分に
打ち込む、請求項23のトンネル磁気抵抗効果素子の製
造方法。
25. The method of manufacturing a tunnel magnetoresistive element according to claim 23, wherein said charged particles are implanted into an upper surface portion of said element.
【請求項26】 前記荷電粒子を打ち込むことにより、
前記上部強磁性層の概ね全体を改質する、請求項23記
載のトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法。
26. By driving the charged particles,
The method for manufacturing a tunnel magnetoresistive element according to claim 23, wherein substantially the entire upper ferromagnetic layer is modified.
【請求項27】 前記荷電粒子は希ガス、窒素、酸素ま
たはこれらの混合物を原料とする、請求項23記載のト
ンネル磁気抵抗効果素子の製造方法。
27. The method according to claim 23, wherein the charged particles are made of a rare gas, nitrogen, oxygen, or a mixture thereof.
【請求項28】 前記荷電粒子はGa、B、P、Asま
たはこれらの混合物を原料とする、請求項23記載のト
ンネル磁気抵抗効果素子の製造方法。
28. The method according to claim 23, wherein the charged particles are made of Ga, B, P, As or a mixture thereof.
【請求項29】 前記荷電粒子の注入エネルギーが10
〜300keVである、請求項27または28記載のト
ンネル磁気抵抗効果素子の製造方法。
29. The injection energy of the charged particles is 10
The method for manufacturing a tunnel magnetoresistive effect element according to claim 27 or 28, wherein the pressure is -300 keV.
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