JP2002353418A - Magnetoresistive effect element and magnetic memory device - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、外部から加える磁
界によって抵抗値が変化するという、いわゆるＭＲ（Ma
gnetoResistive）効果を発生する磁気抵抗効果素子、お
よび、その磁気抵抗効果素子を用いて情報を記憶するメ
モリデバイスとして構成された磁気メモリ装置に関す
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a so-called MR (Ma
The present invention relates to a magnetoresistive element that generates a gnetoResistive effect and a magnetic memory device configured as a memory device that stores information using the magnetoresistive element.
【０００２】[0002]
【従来の技術】近年、メモリデバイスとして機能する磁
気メモリ装置の一つとして、ＭＲＡＭ（Magnetic Rando
m Access Memory）が提案されている。ＭＲＡＭは、巨
大磁気抵抗（Giant Magnetoresistive；ＧＭＲ）型また
はトンネル磁気抵抗（Tunnel Magnetoresistive；ＴＭ
Ｒ）型の磁気抵抗効果素子を用い、その磁気抵抗効果素
子における磁化方向の反転を利用して情報記憶を行うも
のである。2. Description of the Related Art In recent years, an MRAM (Magnetic Rando) has been used as one of magnetic memory devices functioning as a memory device.
m Access Memory) has been proposed. An MRAM is a giant magnetoresistive (GMR) type or a tunnel magnetoresistive (Tunnel Magnetoresistive; TM).
An R) type magnetoresistive element is used, and information is stored by utilizing the reversal of the magnetization direction in the magnetoresistive element.
【０００３】このようなＭＲＡＭに用いられる磁気抵抗
効果素子は、例えばＴＭＲ型のスピンバルブ素子であれ
ば、図８（ａ）および（ｂ）に示すように構成されてい
る。すなわち、強磁性体からなる自由層５１および固定
層５２と、これらの間に介在する絶縁体からなる非磁性
層５３と、固定層５２の磁化方向を直接的または間接的
に固定する反強磁性層５４とが順に積層されてなり、自
由層５１における磁化方向によってトンネル電流の抵抗
値が変わるように構成されている。これにより、磁気抵
抗効果素子では、自由層５１における磁化方向に応じ
て、磁化がある方向を向いたときは「１」、他方を向い
たときは「０」といった情報記憶を行うことが可能とな
る。また、磁気抵抗効果素子への情報の書き込みは、外
部から自由層５１の磁化方向反転に必要な磁界Ｈｃを超
える値の磁界を与え、その自由層５１の磁化方向を変化
させることで行うようになっている。A magnetoresistive element used in such an MRAM is, for example, a TMR type spin valve element configured as shown in FIGS. 8 (a) and 8 (b). That is, the free layer 51 and the fixed layer 52 made of a ferromagnetic material, the nonmagnetic layer 53 made of an insulator interposed between the free layer 51 and the fixed layer 52, and the antiferromagnetic material that directly or indirectly fixes the magnetization direction of the fixed layer 52. The layer 54 is sequentially stacked, and the resistance value of the tunnel current changes according to the magnetization direction in the free layer 51. Thus, in the magnetoresistive element, it is possible to store information such as “1” when the magnetization is directed in one direction and “0” when the magnetization is directed in the other direction, according to the magnetization direction in the free layer 51. Become. Writing information to the magnetoresistive element is performed by applying a magnetic field having a value exceeding the magnetic field Hc required for reversing the magnetization direction of the free layer 51 from the outside and changing the magnetization direction of the free layer 51. Has become.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】ところで、磁気抵抗効
果素子においては、情報を書き込む際における自由層５
１の磁化方向の反転動作が、ゼロ磁場を中心にして正負
対称に行われることが望ましい。すなわち、自由層５１
は、磁化方向がどちらに向く場合であっても、その変化
際の動作点中心がゼロ磁場であることが望ましい。By the way, in the magnetoresistive effect element, the free layer 5 when writing information is used.
It is desirable that the reversal operation of the magnetization direction of 1 be performed symmetrically with respect to the zero magnetic field. That is, the free layer 51
Regardless of the direction of magnetization, it is desirable that the operating point center at the time of the change be a zero magnetic field.
【０００５】これは、動作点中心がゼロ磁場からずれて
しまうと、その非対称性に起因して、磁気抵抗効果素子
に「１」という情報を書き込む際の動作と、「０」とい
う情報を書き込む際の動作とに違いが生じてしまうから
である。このような違いは、磁気抵抗効果素子への情報
書き込みの際の外部磁界を発生させる回路部分での負担
増大を招き、また複数の磁気抵抗効果素子がマトリクス
状に互いに近接して配置された場合における各磁気抵抗
効果素子の動作マージン確保の障害となるため、好まし
くない。[0005] When the center of the operating point deviates from the zero magnetic field, due to the asymmetry, the operation for writing the information "1" to the magnetoresistive element and the operation for writing the information "0" to the magnetoresistive element. This is because there is a difference from the operation at the time. Such a difference causes an increase in a load on a circuit portion that generates an external magnetic field when writing information to the magnetoresistive element, and when a plurality of magnetoresistive elements are arranged close to each other in a matrix. In this case, it is not preferable because the operation margin of each magnetoresistive effect element is hindered.
【０００６】しかしながら、例えば自由層５１、非磁性
層５３、固定層５２および反強磁性層５４が積層されて
なる磁気抵抗効果素子は、通常、これらの各層５１〜５
４が薄膜技術を用いて成膜されるが、これらの各層５１
〜５４の界面を微視的に見ると、図９に示すように、そ
の面粗さに応じた凹凸が形成されている。そのため、自
由層５１および固定層５２における凹凸の壁部近傍に
は、＋または−といった正負いずれかの磁極ができてし
まう。このことは、本来、磁化方向が自由に反転できる
はずの自由層５１に影響を及ぼすことを意味している。
つまり、その影響によって、自由層５１では、磁化方向
が反転する際の動作点中心が一定方向にシフトしてしま
うような磁界（以下「ネール結合磁界」という）が発生
し、結果としてその動作点中心がゼロ磁場からずれてし
まう可能性がある。However, for example, a magnetoresistive element in which a free layer 51, a nonmagnetic layer 53, a fixed layer 52, and an antiferromagnetic layer 54 are laminated is usually provided with each of these layers 51 to 5
4 are formed using thin film technology.
When microscopically viewed from the interface of Nos. To 54, as shown in FIG. 9, irregularities corresponding to the surface roughness are formed. Therefore, either positive or negative magnetic poles such as + or-are formed in the vicinity of the uneven wall portions of the free layer 51 and the fixed layer 52. This means that the free layer 51, whose magnetization direction can be freely reversed, is affected.
That is, due to the influence, a magnetic field (hereinafter, referred to as a “Neel coupling magnetic field”) is generated in the free layer 51 such that the center of the operating point when the magnetization direction is reversed is shifted in a certain direction. The center may deviate from zero magnetic field.
【０００７】このようなネール結合磁界は、各層５１〜
５４の界面における凹凸を除去することで、その発生を
回避することが考えられる。ところが、現状における薄
膜技術では、凹凸を完全に除去することはできず、また
磁気抵抗効果素子の生産効率や製造コスト等を考慮すれ
ば、ある程度の凹凸を許容することが現実的である。Such a Neel coupling magnetic field is generated in each of the layers 51-51.
It is conceivable to avoid the occurrence by removing the unevenness at the interface of. However, with the current thin film technology, it is impossible to completely remove irregularities, and it is practical to allow some irregularities in consideration of the production efficiency and the production cost of the magnetoresistive element.
【０００８】そこで、本発明は、ネール結合磁界が発生
する場合であっても、その影響を排除して、磁化方向が
反転する際の動作点中心をゼロ磁場に合わせることので
きる磁気抵抗効果素子およびその磁気抵抗効果素子を用
いた磁気メモリ装置を提供することを目的とする。Accordingly, the present invention provides a magnetoresistive element capable of adjusting the operating point center when the magnetization direction is reversed to zero magnetic field by eliminating the influence of a Neel coupling magnetic field even when it occurs. And a magnetic memory device using the magnetoresistive element.
【０００９】[0009]
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために案出された磁気抵抗効果素子で、少なくと
も強磁性体からなる自由層、絶縁体からなる非磁性層お
よび強磁性体からなる固定層が積層されてなり、前記自
由層における磁化方向の変化を利用して情報記録を行う
磁気メモリ装置に用いられるものにおいて、前記自由層
と前記固定層との間の静磁結合による磁界を用いて当該
自由層の磁化方向が変化する際の動作点中心をゼロ磁場
とするように当該固定層の磁化量が設定されていること
を特徴とする。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is directed to a magnetoresistive element devised to achieve the above object, comprising at least a free layer made of a ferromagnetic material, a nonmagnetic layer made of an insulator, and a ferromagnetic material. And a fixed layer formed by laminating the free layer and using the change in the magnetization direction in the free layer for use in a magnetic memory device for recording information, wherein the fixed layer is formed by magnetostatic coupling between the free layer and the fixed layer. The magnetization amount of the fixed layer is set so that the center of the operating point when the magnetization direction of the free layer changes using a magnetic field is zero magnetic field.
【００１０】また、本発明は、上記目的を達成するため
に案出された磁気メモリ装置で、少なくとも強磁性体か
らなる自由層、絶縁体からなる非磁性層および強磁性体
からなる固定層が積層されてなる磁気抵抗効果素子を具
備し、当該磁気抵抗効果素子の自由層における磁化方向
の変化を利用して情報記録を行うものにおいて、前記磁
気抵抗効果素子が、前記自由層と前記固定層との間の静
磁結合による磁界を用いて当該自由層の磁化方向が変化
する際の動作点中心をゼロ磁場とするように当該固定層
の磁化量が設定されていることを特徴とする。The present invention also provides a magnetic memory device devised to achieve the above object, wherein at least a free layer made of a ferromagnetic material, a nonmagnetic layer made of an insulator, and a fixed layer made of a ferromagnetic material are provided. A device comprising a laminated magnetoresistive effect element and performing information recording by using a change in the magnetization direction in a free layer of the magnetoresistive effect element, wherein the magnetoresistive effect element includes the free layer and the fixed layer. The magnetization amount of the fixed layer is set so that the operating point center when the magnetization direction of the free layer changes by using the magnetic field due to the magnetostatic coupling between the fixed layer and the fixed layer is zero.
【００１１】上記構成の磁気抵抗効果素子および磁気メ
モリ装置によれば、磁気抵抗効果素子が自由層、非磁性
層および固定層が積層されてなるので、自由層には固定
層の端面に生じる磁界に起因する静磁結合磁界の影響が
及ぶ。このときの静磁結合磁界は、固定層の磁化量に対
応したものとなる。したがって、例えば磁気抵抗効果素
子を構成する各層の界面の状態に起因するネール結合磁
界が発生しても、そのネール結合磁界が働く方向とは逆
方向に静磁結合磁界が働き、かつ、自由層が双方の磁界
から受ける影響の絶対量を略同等となるように、固定層
の磁化量を設定することで、自由層の磁化方向が変化す
る際の動作点中心がゼロ磁場に合うように、その動作点
中心のずれが補正されることになる。According to the magnetoresistive element and the magnetic memory device having the above-described configurations, the magnetoresistive element is formed by laminating a free layer, a nonmagnetic layer, and a fixed layer. And the effect of the magnetostatic coupling magnetic field. The magnetostatic coupling magnetic field at this time corresponds to the magnetization amount of the fixed layer. Therefore, for example, even if a Neel coupling magnetic field is generated due to the state of the interface between the layers constituting the magnetoresistive element, the magnetostatic coupling magnetic field acts in a direction opposite to the direction in which the Neel coupling magnetic field acts, and the free layer By setting the magnetization amount of the fixed layer so that the absolute amounts of the effects of both magnetic fields are substantially equal, the operating point center when the magnetization direction of the free layer changes matches the zero magnetic field, The deviation of the operating point center is corrected.
【００１２】[0012]
【発明の実施の形態】以下、図面に基づき本発明に係る
磁気抵抗効果素子および磁気メモリ装置について説明す
る。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a magnetoresistive element and a magnetic memory device according to the present invention will be described with reference to the drawings.
【００１３】図１は、本発明に係る磁気抵抗効果素子の
概略構成の一例を示す模式図である。図例のように、磁
気抵抗効果素子１０は、強磁性体からなる自由層１１
と、絶縁体からなる非磁性層１２と、強磁性体からなる
固定層１３と、その固定層１３の磁化方向を直接的また
は間接的に固定する反強磁性層１４とが順に積層されて
なり、自由層１１における磁化方向の変化を利用して情
報記録を行うように構成されている。FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a schematic configuration of a magnetoresistive element according to the present invention. As shown in the drawing, the magnetoresistive element 10 includes a free layer 11 made of a ferromagnetic material.
And a nonmagnetic layer 12 made of an insulator, a fixed layer 13 made of a ferromagnetic material, and an antiferromagnetic layer 14 for directly or indirectly fixing the magnetization direction of the fixed layer 13. The information is recorded by utilizing the change in the magnetization direction in the free layer 11.
【００１４】続いて、以上のような構成の磁気抵抗効果
素子１０を用いて構成された磁気メモリ装置、すなわち
本発明に係る磁気メモリ装置の全体の概略構成について
説明する。図２は、ＭＲＡＭと呼ばれる磁気メモリ装置
の基本的な構成例を示す模式図である。Next, a description will be given of a schematic configuration of a magnetic memory device constituted by using the magnetoresistive element 10 having the above-described structure, that is, a magnetic memory device according to the present invention. FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a basic configuration example of a magnetic memory device called an MRAM.
【００１５】図２（ａ）に示すように、ＭＲＡＭでは、
複数の磁気抵抗効果素子１０がマトリクス状に配されて
いる。さらに、これらの磁気抵抗効果素子１０が配され
た行および列のそれぞれに対応するように、相互に交差
するワード書き込み線２０およびビット書き込み線３０
が、各磁気抵抗効果素子１０群を縦横に横切るように設
けられている。そして、各磁気抵抗効果素子１０は、ワ
ード書き込み線２０とビット書き込み線３０とに上下か
ら挟まれた状態で、かつ、これらの交差領域に位置する
ように、それぞれが配置されている。なお、ワード書き
込み線２０およびビット書き込み線３０のうち一方は自
由層１１の磁化容易軸方向と略平行に配設され、他方は
磁化困難軸方向に略平行に配設されている。例えば、ビ
ット書き込み線３０が自由層１１の磁化容易軸方向と略
平行である場合が考えられる。As shown in FIG. 2A, in the MRAM,
A plurality of magnetoresistive elements 10 are arranged in a matrix. Furthermore, a word write line 20 and a bit write line 30 that intersect each other so as to correspond to each of the rows and columns where the magnetoresistive elements 10 are arranged.
Are provided so as to cross each group of the magnetoresistive elements 10 vertically and horizontally. Each of the magnetoresistive elements 10 is arranged so as to be sandwiched between the word write line 20 and the bit write line 30 from above and below, and to be located in an intersection region therebetween. One of the word write line 20 and the bit write line 30 is disposed substantially parallel to the easy axis direction of the free layer 11, and the other is disposed substantially parallel to the hard axis direction. For example, it is conceivable that the bit write line 30 is substantially parallel to the easy axis direction of the free layer 11.
【００１６】また、それぞれの磁気抵抗効果素子部分で
は、図２（ｂ）に示すように、半導体基板４１上に、ゲ
ート領域４２、ソース領域４３およびドレイン領域４４
からなる電界効果トランジスタ４０が配設され、さらに
その上方に、ワード書き込み線２０、磁気抵抗効果素子
１０およびビット書き込み線３０が順に配設されてい
る。そして、磁気抵抗効果素子１０における自由層１１
の磁化方向によってその電流抵抗値が変わることを利用
して、各磁気抵抗効果素子１０に記録された情報を読み
出すようになっている。As shown in FIG. 2B, the gate region 42, the source region 43, and the drain region 44 are formed on the semiconductor substrate 41 in each of the magnetoresistive element portions.
, A word write line 20, a magnetoresistive element 10, and a bit write line 30 are sequentially arranged above the field effect transistor 40. The free layer 11 in the magnetoresistive element 10
The information recorded in each magnetoresistive element 10 is read out by utilizing the fact that the current resistance value changes depending on the magnetization direction of the element.
【００１７】一方、各磁気抵抗効果素子１０への情報の
書き込みは、ワード書き込み線２０およびビット書き込
み線３０の両方に電流を流すことによって発生する合成
電流磁界を用いて、各磁気抵抗効果素子１０における自
由層１１の磁化方向を制御することにより行う。つま
り、自由層１１の磁化方向を反転させるための磁界は、
ワード書き込み線２０およびビット書き込み線３０に流
した電流磁界の合成によって与えられる。これによっ
て、選択された磁気抵抗効果素子１０のみの磁化方向が
反転し情報が記録されることになる。選択されない磁気
抵抗効果素子１０については、ワード書き込み線２０と
ビット書き込み線３０のいずれか一方の電流磁界のみが
印加されるので、反転磁界が不十分となり、情報が書き
込まれない。On the other hand, information is written into each magneto-resistance effect element 10 by using a combined current magnetic field generated by flowing a current through both the word write line 20 and the bit write line 30. Is performed by controlling the magnetization direction of the free layer 11 in the above. That is, the magnetic field for reversing the magnetization direction of the free layer 11 is
It is given by combining current magnetic fields flowing through the word write line 20 and the bit write line 30. As a result, the magnetization direction of only the selected magnetoresistive element 10 is inverted, and information is recorded. For the unselected magnetoresistive element 10, only the current magnetic field of one of the word write line 20 and the bit write line 30 is applied, so that the reversal magnetic field becomes insufficient and no information is written.
【００１８】このときに必要となる合成電流磁界は、ア
ステロイド曲線Ｈｘ(2/3)＋Ｈｙ(2/ 3)＝Ｈｋ(2/3)によ
って与えられる。Ｈｋは自由層１１の異方性磁界であ
る。図３は、ＭＲＡＭにおける磁気抵抗効果素子の磁界
応答の一例を示すアステロイド図である。図中のアステ
ロイド曲線は、磁気抵抗効果素子１０の磁化方向の反転
しきい値を示している。すなわち、アステロイド曲線の
外部に相当する合成電流磁界が発生すると、磁気抵抗効
果素子１０の磁化方向に反転が生じる。ただし、アステ
ロイド内部の合成電流磁界では、その電流双安定状態の
一方から磁気抵抗効果素子１０の磁化方向を反転させる
ことはない。The combined current magnetic field required for this case is given by the asteroid curve Hx (2/3) + Hy (2 /3) = Hk (2/3). Hk is the anisotropic magnetic field of the free layer 11. FIG. 3 is an asteroid diagram showing an example of a magnetic field response of the magnetoresistance effect element in the MRAM. The asteroid curve in the figure indicates the threshold value for reversing the magnetization direction of the magnetoresistive element 10. That is, when a combined current magnetic field corresponding to the outside of the asteroid curve is generated, the magnetization direction of the magnetoresistive element 10 is inverted. However, in the synthesized current magnetic field inside the asteroid, the magnetization direction of the magnetoresistance effect element 10 is not reversed from one of the current bistable states.
【００１９】ところで、磁気抵抗効果素子１０は、自由
層１１、非磁性層１２、固定層１３および反強磁性層１
４が積層されてなるため、既に説明したように、各層１
１〜１４の界面における凹凸に起因してネール結合磁界
が発生し、自由層１１の磁化方向が反転する際の動作点
中心がゼロ磁場からずれてしまう可能性がある。このよ
うな動作点中心のゼロ磁場からのずれが生じると、アス
テロイド曲線の中心がＨｘ−Ｈｙ平面上の原点から一定
方向にずれてしまい、各磁気抵抗効果素子１０における
動作マージンの減少や、ワード書き込み線２０等へ電流
を印加するパルス電流発生回路の負担増大等を招くこと
が考えられる。Incidentally, the magnetoresistive effect element 10 comprises a free layer 11, a nonmagnetic layer 12, a fixed layer 13, and an antiferromagnetic layer 1.
4 are stacked, so that each layer 1
There is a possibility that a Neel coupling magnetic field is generated due to the unevenness at the interface of Nos. 1 to 14, and the center of the operating point when the magnetization direction of the free layer 11 is reversed is shifted from the zero magnetic field. When such a shift of the center of the operating point from the zero magnetic field occurs, the center of the asteroid curve shifts in a certain direction from the origin on the Hx-Hy plane, and the operating margin in each magnetoresistive element 10 decreases, It is conceivable that the load on a pulse current generating circuit that applies a current to the word write line 20 or the like increases.
【００２０】そこで、各磁気抵抗効果素子１０では、自
由層１１と固定層１３との間の静磁結合による磁界を用
いて、その自由層１１の磁化方向が変化する際の動作点
中心をゼロ磁場とするように、固定層１３の磁化量が設
定されている。Therefore, in each magnetoresistive element 10, the center of the operating point when the magnetization direction of the free layer 11 changes is set to zero by using the magnetic field generated by the magnetostatic coupling between the free layer 11 and the fixed layer 13. The magnetization amount of the fixed layer 13 is set so as to be a magnetic field.
【００２１】詳しくは、図１に示すように、各磁気抵抗
効果素子１０では、少なくとも自由層１１、非磁性層１
２および固定層１３が順に積層されてなるので、自由層
１１に対して固定層１３の端面に生じる磁界に起因する
静磁結合磁界の影響が及ぶ（図中矢印Ａ参照）。このと
きの静磁結合磁界は、固定層１３の磁化量および大きさ
（磁気抵抗効果素子１０の寸法）に依存したものとな
る。そのため、固定層１３の両端面間の距離、すなわち
磁気抵抗効果素子１０の寸法が小さくなると、静磁結合
磁界は強くなる。また、その向きは、固定層１３の磁化
方向とは逆になる。これに対して、自由層１１に加わる
ネール結合磁界は、その大きさには依存せず、固定層１
３における自由層１１側の界面近傍の磁化方向と同方向
となる。したがって、各磁気抵抗効果素子１０では、ネ
ール結合磁界が発生しても、そのネール結合磁界が働く
方向とは逆方向に静磁結合磁界が働き、かつ、自由層１
１が双方の磁界から受ける影響の絶対量を略同等となる
ように、固定層１３の磁化量を設定することで、自由層
１１の磁化方向が変化する際の動作点中心がゼロ磁場に
合わせ、その動作点中心のずれを補正するようになって
いる。More specifically, as shown in FIG. 1, in each magnetoresistive element 10, at least the free layer 11 and the nonmagnetic layer 1
2 and the fixed layer 13 are sequentially stacked, so that the free layer 11 is affected by a magnetostatic coupling magnetic field caused by a magnetic field generated at the end face of the fixed layer 13 (see arrow A in the figure). The magnetostatic coupling magnetic field at this time depends on the magnetization amount and the size of the fixed layer 13 (the size of the magnetoresistive element 10). Therefore, when the distance between both end faces of the fixed layer 13, that is, the dimension of the magnetoresistive effect element 10 becomes smaller, the magnetostatic coupling magnetic field becomes stronger. In addition, the direction is opposite to the magnetization direction of the fixed layer 13. On the other hand, the Neel coupling magnetic field applied to the free layer 11 does not depend on its magnitude.
3 is the same as the magnetization direction near the interface on the free layer 11 side. Therefore, in each of the magnetoresistance effect elements 10, even if a Neel coupling magnetic field is generated, the magnetostatic coupling magnetic field acts in a direction opposite to the direction in which the Neel coupling magnetic field acts, and the free layer 1
By setting the magnetization amount of the fixed layer 13 so that the absolute value of the influence of the two magnetic fields on the free layer 1 becomes substantially equal, the center of the operating point when the magnetization direction of the free layer 11 changes is adjusted to zero magnetic field. The shift of the center of the operating point is corrected.
【００２２】動作点中心のずれの補正は、固定層１３の
磁化量を調整するのではなく、自由層１１の磁化量を調
整することによっても行うことが可能である。ところ
が、自由層１１の磁化量は、情報を読み出す際の出力特
性や磁化方向反転のスイッチング特性等に大きく影響す
る。そのため、自由層１１の磁化量についてはこれを調
整することを行わず、固定層１３の磁化量の設定値を調
整することによって、自由層１１の磁化方向が変化する
際の動作点中心をゼロ磁場に合わせることとした。The deviation of the center of the operating point can be corrected not by adjusting the magnetization amount of the fixed layer 13 but also by adjusting the magnetization amount of the free layer 11. However, the amount of magnetization of the free layer 11 greatly affects output characteristics when reading information, switching characteristics of magnetization direction reversal, and the like. Therefore, the magnetization amount of the free layer 11 is not adjusted, and the set value of the magnetization amount of the fixed layer 13 is adjusted so that the operating point center when the magnetization direction of the free layer 11 changes becomes zero. We decided to match the magnetic field.
【００２３】ただし、静磁結合磁界は磁気抵抗効果素子
１０の大きさに依存したものとなるため、磁気抵抗効果
素子１０では、例えばその素子形状が略正方形である
と、その素子面積が大きくなるほど自由層１１へのネー
ル結合磁界の影響が強くなって正の動作点ずれ量を示
し、その素子面積が小さくなるほど自由層１１への静磁
結合磁界の影響が大きくなって負のずれ量を示す傾向に
ある。そして、その傾向は、自由層１１の磁化量または
固定層１３の磁化量によって変化をする。したがって、
固定層１３の磁化量の設定値は、磁気抵抗効果素子１０
の大きさを考慮しつつ調整する。すなわち、磁気抵抗効
果素子１０を構成する際には既にその大きさが決定され
ているはずなので、その決定された大きさに基づいて、
自由層１１の磁化量を設定し、さらにその自由層１１の
磁化方向が変化する際の動作点中心がゼロ磁場となるよ
うに固定層１３の磁化量を設定すればよい。However, since the magnetostatic coupling magnetic field depends on the size of the magnetoresistive element 10, if the magnetoresistive element 10 has a substantially square element shape, for example, the larger the element area, the larger the element area. The influence of the Neel coupling magnetic field on the free layer 11 becomes stronger, indicating a positive operating point shift amount. As the element area becomes smaller, the effect of the magnetostatic coupling magnetic field on the free layer 11 increases, indicating a negative shift amount. There is a tendency. The tendency changes depending on the amount of magnetization of the free layer 11 or the amount of magnetization of the fixed layer 13. Therefore,
The set value of the magnetization amount of the fixed layer 13 depends on the magnetoresistance effect element 10
Adjust while considering the size of That is, when the magnetoresistive effect element 10 is configured, its size should already be determined, and based on the determined size,
The magnetization amount of the free layer 11 may be set, and the magnetization amount of the fixed layer 13 may be set such that the operating point center when the magnetization direction of the free layer 11 changes becomes a zero magnetic field.
【００２４】ここで、以上のような特徴を有する磁気抵
抗効果素子１０の構成について、具体例を挙げてさらに
詳しく説明する。先ず、磁気抵抗効果素子１０がＴＭＲ
型のスピンバルブ素子（以下、単に「ＴＭＲ素子」とい
う）である場合を例に挙げる。Here, the configuration of the magnetoresistive element 10 having the above-described features will be described in more detail with reference to specific examples. First, the magnetoresistive element 10 has a TMR
A spin valve element (hereinafter simply referred to as “TMR element”) will be described as an example.
【００２５】図４は、本発明に係る磁気抵抗効果素子の
膜構成の一具体例を示す模式図である。図例のように、
ここで説明するＴＭＲ素子は、基板２１上に、３ｎｍ厚
のＴａ膜２２と、３０ｎｍ厚のＰｔＭｎ膜２３と、１．
５ｎｍ厚のＣｏＦｅ膜２４ａと、０．８ｎｍ厚のＲｕ膜
２４ｂと、２ｎｍ厚のＣｏＦｅ膜２４ｃと、１ｎｍ厚の
Ａｌ−Ｏｘ膜２５と、２ｎｍ厚のＣｏＦｅ膜２６と、５
ｎｍ厚のＴａ膜２７とが、順に積層されてなる膜構成を
有している。なお、それぞれの膜厚は、一例に過ぎず、
これに限定されるものではない。FIG. 4 is a schematic diagram showing one specific example of the film configuration of the magnetoresistance effect element according to the present invention. As shown in the example,
The TMR element described here includes a 3 nm thick Ta film 22, a 30 nm thick PtMn film 23 on a substrate 21.
5 nm thick CoFe film 24a, 0.8 nm thick Ru film 24b, 2 nm thick CoFe film 24c, 1 nm thick Al-Ox film 25, 2 nm thick CoFe film 26,
A Ta film 27 having a thickness of nm is laminated in this order. In addition, each film thickness is only an example,
It is not limited to this.
【００２６】このうち、ＣｏＦｅ膜２６は自由層１１と
して、Ａｌ−Ｏｘ膜２５は非磁性層１２として、ＰｔＭ
ｎ膜２３は反強磁性層１４として、それぞれ機能するよ
うになっている。また、非磁性層であるＲｕ膜２４ｂを
介して二つのＣｏＦｅ膜２４ａ，２４ｃが積層された積
層フェリ構造部２４は、固定層１３としての機能を有す
るものである。Ｔａ膜２２，２７は、保護膜として機能
する。The CoFe film 26 serves as the free layer 11, the Al-Ox film 25 serves as the nonmagnetic layer 12, and the PtM
The n films 23 function as the antiferromagnetic layers 14, respectively. Further, the laminated ferrimagnetic structure 24 in which the two CoFe films 24a and 24c are laminated via the Ru film 24b which is a nonmagnetic layer has a function as the fixed layer 13. The Ta films 22 and 27 function as protective films.
【００２７】なお、ここでは、自由層１１および固定層
１３を構成する磁性体としてＣｏＦｅを用いているが、
Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅのいずれか、若しくはこれらの少なく
とも一種類を含んだ合金、またはそれらの積層膜を用い
ても構わない。また、ここでは、反強磁性層１４として
ＰｔＭｎを用いているが、同じく規則合金のＮｉＭｎ、
不規則合金のＩｒＭｎ、ＲｈＭｎ、ＦｅＭｎ、酸化物系
のＮｉＯ、α−Ｆｅ２Ｏ３を用いても構わない。In this case, CoFe is used as the magnetic material constituting the free layer 11 and the fixed layer 13.
Any of Co, Ni, Fe, an alloy containing at least one of these, or a stacked film thereof may be used. Here, PtMn is used as the antiferromagnetic layer 14, but NiMn,
IrMn, RhMn, FeMn of an irregular alloy, NiO of an oxide type, and α-Fe 2 O 3 may be used.
【００２８】このような膜構成のＴＭＲ素子では、Ｃｏ
Ｆｅ膜２６と積層フェリ構造部２４との間の静磁結合に
よる磁界を用いて、そのＣｏＦｅ膜２６の磁化方向が変
化する際の動作点中心をゼロ磁場とするように、積層フ
ェリ構造部２４の磁化量が設定される。この設定は、事
前に特定された基準、例えば図５に示すような自由層動
作点ずれと素子面積との対応関係に基づいて行えばよ
い。なお、ここでは、静磁結合磁界の素子面積への依存
性を考慮して、当該対応関係を磁化量設定の基準として
例に挙げたが、ネール結合磁界の影響による動作点中心
のずれ量とそのずれ量を誘起する磁化量との対応関係を
特定するものであれば、他の基準を用いても構わない。
ただし、これらの基準は、事前に例えば実測結果から経
験的に特定されているものとする。In the TMR element having such a film structure, Co
Using a magnetic field generated by magnetostatic coupling between the Fe film 26 and the laminated ferrimagnetic structure 24, the operating point center when the magnetization direction of the CoFe film 26 changes is set to zero magnetic field so that the center of the operating point becomes zero magnetic field. Is set. This setting may be performed based on a reference specified in advance, for example, based on the correspondence between the free layer operating point shift and the element area as shown in FIG. Here, in consideration of the dependency of the magnetostatic coupling magnetic field on the element area, the correspondence is described as an example as a reference for setting the amount of magnetization. Other criteria may be used as long as they specify the correspondence with the amount of magnetization that induces the amount of deviation.
However, these criteria are empirically specified in advance, for example, from actual measurement results.
【００２９】積層フェリ構造部２４における磁化量の設
定値の調整は、以下のようにして行うことが考えられ
る。例えば、二つのＣｏＦｅ膜２４ａ，２４ｃが積層さ
れた積層フェリ構造ゆえ、これら二つのＣｏＦｅ膜２４
ａ，２４ｃの膜厚を互いに相違させる（１．５ｎｍ厚と
２ｎｍ厚）。そして、必要に応じてその相違量（例えば
膜厚比）を可変させる。このようにすれば、積層フェリ
構造においては各膜２４ａ，２４ｃの磁化方向の違いに
よる交換相互作用によって有限の自発磁化を生じるの
で、それぞれの膜厚の相違に応じて積層フェリ構造部２
４全体の磁化量も異なってくる。つまり、膜厚の相違量
の設定次第によって、積層フェリ構造部２４の磁化量
を、容易に所望の設定値に調整し得るようになる。ただ
し、磁化量の設定値の調整は、積層フェリ構造を利用し
て行う以外にも、例えば単層で構成された固定層１３の
膜厚設定により実現したり、あるいはその材質を適宜選
択することによって行うようにしてもよい。The adjustment of the set value of the amount of magnetization in the laminated ferrimagnetic structure 24 may be performed as follows. For example, since the two CoFe films 24a and 24c are stacked and have a laminated ferrimagnetic structure, these two CoFe films 24a and 24c are stacked.
The thicknesses of a and 24c are different from each other (1.5 nm thickness and 2 nm thickness). Then, the difference amount (for example, the film thickness ratio) is varied as necessary. In this way, in the laminated ferri-structure, finite spontaneous magnetization is generated by the exchange interaction due to the difference in the magnetization direction of each film 24a, 24c.
4 also has a different amount of magnetization. That is, the magnetization amount of the laminated ferrimagnetic structure 24 can be easily adjusted to a desired setting value depending on the setting of the difference amount of the film thickness. However, the adjustment of the set value of the magnetization amount is realized by, for example, setting the film thickness of the fixed layer 13 formed of a single layer, or by appropriately selecting the material thereof, in addition to using the laminated ferrimagnetic structure. May be performed.
【００３０】以上のような膜構成により、ＴＭＲ素子で
は、ネール結合磁界の影響がＣｏＦｅ膜２６に及んで
も、積層フェリ構造部２４からの静磁結合磁界の影響に
よって、そのネール結合磁界の影響を排除して、ＣｏＦ
ｅ膜２６の磁化方向が反転する際の動作点中心をゼロ磁
場に合わせることができる。したがって、ＭＲＡＭに用
いた場合であっても、各素子の動作マージンの減少やパ
ルス電流発生回路の負担増大等を回避し得るようにな
る。しかも、特に静磁結合磁界のための磁化量の設定調
整を積層フェリ構造を利用して行った場合には、その設
定調整が容易化し、その柔軟性を高めることもできる。With the above-described film configuration, in the TMR element, even if the effect of the Neel coupling magnetic field reaches the CoFe film 26, the influence of the Neel coupling magnetic field due to the effect of the magnetostatic coupling magnetic field from the laminated ferrimagnetic structure 24. To eliminate CoF
The center of the operating point when the magnetization direction of the e film 26 is reversed can be adjusted to zero magnetic field. Therefore, even when used in an MRAM, it is possible to avoid a decrease in the operation margin of each element, an increase in the load on the pulse current generation circuit, and the like. In addition, in particular, when the setting and adjustment of the magnetization amount for the magnetostatic coupling magnetic field are performed using the laminated ferrimagnetic structure, the setting and adjustment can be facilitated and the flexibility can be increased.
【００３１】なお、ここでは、自由層１１よりも固定層
１３のほうが先に（下方に）積層される、いわゆるボト
ム型のＴＭＲ素子を具体例として挙げたが、例えば図６
に示すように、自由層１１が固定層１３よりも先に（下
方に）積層される、いわゆるトップ型のＴＭＲ素子であ
っても、全く同様に本発明を適用することができる。図
例の場合は、ＣｏＦｅ膜３４が自由層１１として、Ａｌ
−Ｏｘ膜３５が非磁性層１２として、Ｒｕ膜３６ｂを介
して二つのＣｏＦｅ膜３６ａ，３６ｃが積層された積層
フェリ構造部３６が固定層１３として、ＰｔＭｎ膜３７
が反強磁性層１４として、それぞれ機能するようになっ
ている。また、Ｔａ膜３２とＣｏＦｅ膜３４との間には
Ｃｕ膜３３が設けられている。Here, a so-called bottom-type TMR element in which the fixed layer 13 is laminated (below) the free layer 11 before the free layer 11 has been described as a specific example.
The present invention can be applied to a so-called top-type TMR element in which the free layer 11 is laminated (below) the fixed layer 13 as shown in FIG. In the case of the example shown in FIG.
The Ox film 35 serves as the nonmagnetic layer 12, the laminated ferristructure 36 in which the two CoFe films 36 a and 36 c are stacked via the Ru film 36 b serves as the fixed layer 13, and the PtMn film 37.
Function as antiferromagnetic layers 14, respectively. Further, a Cu film 33 is provided between the Ta film 32 and the CoFe film 34.
【００３２】さらには、ＴＭＲ素子のみならず、例えば
図７に示すように、自由層１１と固定層１３との間の非
磁性層１２がＣｕ等で構成されたＧＭＲ型のものについ
ても、全く同様であることはいうまでもない。図例の場
合は、ＣｏＦｅ膜４７が自由層１１として、Ｃｕ膜４６
が非磁性層１２として、Ｒｕ膜４５ｂを介して二つのＣ
ｏＦｅ膜４５ａ，４５ｃが積層された積層フェリ構造部
４５が固定層１３として、ＰｔＭｎ膜４４が反強磁性層
１４として、それぞれ機能するようになっている。それ
ぞれ機能するようになっている。また、Ｔａ膜４２，４
９に隣接してＣｕ膜４３，４８が設けられている。Further, not only the TMR element but also a GMR type element in which the nonmagnetic layer 12 between the free layer 11 and the fixed layer 13 is made of Cu or the like as shown in FIG. It goes without saying that the same is true. In the illustrated example, the CoFe film 47 serves as the free layer 11 and the Cu film 46 serves as the free layer 11.
Are two non-magnetic layers 12 through the Ru film 45b.
The laminated ferri-structure portion 45 in which the oFe films 45a and 45c are laminated functions as the fixed layer 13, and the PtMn film 44 functions as the antiferromagnetic layer 14, respectively. Each one works. Also, the Ta films 42, 4
9, Cu films 43 and 48 are provided.
【００３３】[0033]
【発明の効果】以上に説明したように、本発明の磁気抵
抗効果素子および磁気メモリ装置によれば、例えばネー
ル結合磁界が発生する場合であっても、自由層と固定層
との間の静磁結合による磁界を用いてその影響を排除し
て、自由層の磁化方向が変化する際の動作点中心をゼロ
磁場に合うように、その固定層の磁化量が設定されてい
るので、これにより自由層での磁化方向の反転動作がゼ
ロ磁場を中心にして正負対称に行われることとなり、結
果として各磁気抵抗効果素子における動作マージンの確
保等が確実なものとなる。As described above, according to the magnetoresistive element and the magnetic memory device of the present invention, even when a Neel coupling magnetic field is generated, for example, the static electricity between the free layer and the fixed layer is reduced. The magnetization amount of the fixed layer is set so that the influence of the magnetization direction of the free layer is adjusted to zero magnetic field by eliminating the influence using the magnetic field due to the magnetic coupling. The operation of reversing the magnetization direction in the free layer is performed symmetrically with respect to the zero magnetic field in the positive and negative directions. As a result, the operation margin in each magnetoresistive element is ensured.
【図１】本発明に係る磁気抵抗効果素子の概略構成の一
例を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a schematic configuration of a magnetoresistive element according to the present invention.
【図２】ＭＲＡＭと呼ばれる磁気メモリ装置の基本的な
構成例を示す模式図であり、（ａ）はその全体の概略構
成を示す図、（ｂ）は単一の記憶素子部分の断面構成を
示す図である。2A and 2B are schematic diagrams illustrating a basic configuration example of a magnetic memory device called an MRAM, in which FIG. 2A is a diagram illustrating the overall schematic configuration, and FIG. 2B is a cross-sectional configuration of a single storage element portion. FIG.
【図３】ＭＲＡＭにおける磁気抵抗効果素子の磁界応答
の一例を示すアステロイド図である。FIG. 3 is an asteroid diagram showing an example of a magnetic field response of a magnetoresistive element in an MRAM.
【図４】本発明に係る磁気抵抗効果素子の膜構成の一具
体例を示す模式図である。FIG. 4 is a schematic view showing a specific example of a film configuration of a magnetoresistive element according to the present invention.
【図５】自由層動作点ずれ量の素子面積依存性の一具体
例を示す説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram showing a specific example of the element area dependence of a shift amount of a free layer operating point.
【図６】本発明に係る磁気抵抗効果素子の膜構成の他の
具体例を示す模式図である。FIG. 6 is a schematic view showing another specific example of the film configuration of the magnetoresistance effect element according to the present invention.
【図７】本発明に係る磁気抵抗効果素子の膜構成のさら
に他の具体例を示す模式図である。FIG. 7 is a schematic diagram showing still another specific example of the film configuration of the magnetoresistance effect element according to the present invention.
【図８】一般的な磁気抵抗効果素子の構成例を示す模式
図であり、（ａ）および（ｂ）はその情報記憶状態の概
要を示す図である。FIGS. 8A and 8B are schematic diagrams illustrating a configuration example of a general magnetoresistive element, and FIGS. 8A and 8B are diagrams illustrating an outline of an information storage state.
【図９】磁気抵抗効果素子を構成する各面の界面の状態
の一例を示す模式図である。FIG. 9 is a schematic diagram illustrating an example of a state of an interface of each surface constituting the magnetoresistive element.
１０…磁気抵抗効果素子、１１…自由層、１２…非磁性
層、１３…固定層、１４…反強磁性層10: magnetoresistive element, 11: free layer, 12: nonmagnetic layer, 13: fixed layer, 14: antiferromagnetic layer
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 別所 和宏 東京都品川区北品川６丁目７番35号 ソニ ー株式会社内 Ｆターム(参考） 2G017 AB09 AD55 AD63 AD65 5D034 BA03 BA04 BA05 CA08 5F083 FZ10 GA11 GA30 JA38 JA39 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continued on the front page (72) Inventor Kazuhiro Bessho 6-35 Kita-Shinagawa, Shinagawa-ku, Tokyo Sony Corporation F-term (reference) 2G017 AB09 AD55 AD63 AD65 5D034 BA03 BA04 BA05 CA08 5F083 FZ10 GA11 GA30 JA38 JA39
Claims (3)
縁体からなる非磁性層および強磁性体からなる固定層が
積層されてなり、前記自由層における磁化方向の変化を
利用して情報記録を行う磁気メモリ装置に用いられる磁
気抵抗効果素子において、 前記自由層と前記固定層との間の静磁結合による磁界を
用いて当該自由層の磁化方向が変化する際の動作点中心
をゼロ磁場とするように当該固定層の磁化量が設定され
ていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。At least a free layer made of a ferromagnetic material, a nonmagnetic layer made of an insulator, and a fixed layer made of a ferromagnetic material are laminated, and information recording is performed by utilizing a change in the magnetization direction of the free layer. In the magnetoresistive element used in the magnetic memory device, the operating point center when the magnetization direction of the free layer changes using a magnetic field due to magnetostatic coupling between the free layer and the fixed layer is defined as a zero magnetic field. A magnetoresistance effect element wherein the amount of magnetization of the fixed layer is set so as to perform the above operation.
磁性層が積層された積層フェリ構造を有するとともに、
当該積層フェリ構造における各磁性層の厚さの違いによ
り前記磁化量が設定されていることを特徴とする請求項
１記載の磁気抵抗効果素子。2. The fixed layer has a laminated ferri-structure in which two magnetic layers are laminated via a non-magnetic layer.
2. The magnetoresistive element according to claim 1, wherein the amount of magnetization is set by a difference in thickness of each magnetic layer in the laminated ferrimagnetic structure.
縁体からなる非磁性層および強磁性体からなる固定層が
積層されてなる磁気抵抗効果素子を具備し、当該磁気抵
抗効果素子の自由層における磁化方向の変化を利用して
情報記録を行う磁気メモリ装置において、 前記磁気抵抗効果素子は、前記自由層と前記固定層との
間の静磁結合による磁界を用いて当該自由層の磁化方向
が変化する際の動作点中心をゼロ磁場とするように当該
固定層の磁化量が設定されていることを特徴とする磁気
メモリ装置。3. A magnetoresistive element comprising at least a free layer made of a ferromagnetic material, a non-magnetic layer made of an insulator, and a fixed layer made of a ferromagnetic material, and a free layer of the magnetoresistive element. In the magnetic memory device that performs information recording by using the change in the magnetization direction in the magnetic layer, the magnetoresistive effect element uses a magnetic field generated by magnetostatic coupling between the free layer and the fixed layer to change the magnetization direction of the free layer. Wherein the magnetization amount of the pinned layer is set so that the center of the operating point when the value changes is zero magnetic field.
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