JP2003110165A - Magnetoresistance effect device, ferromagnetic substance memory, and information instrument - Google Patents

Magnetoresistance effect device, ferromagnetic substance memory, and information instrument

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JP2003110165A
JP2003110165A JP2001301933A JP2001301933A JP2003110165A JP 2003110165 A JP2003110165 A JP 2003110165A JP 2001301933 A JP2001301933 A JP 2001301933A JP 2001301933 A JP2001301933 A JP 2001301933A JP 2003110165 A JP2003110165 A JP 2003110165A
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magnetic layer
memory
magnetization
magnetoresistive effect
layer
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Yoshinobu Sekiguchi
芳信 関口
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Canon Inc
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • 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

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the characteristics of a memory layer such as the inversion of magnetization and the maintenance of the magnetization direction of the memory layer in a magnetoresistance effect device. SOLUTION: A memory magnetic layer 11 comprises a GdFe or GdFeCo alloy, so that a coercive force is set in an optimum manner with compositions of rare earth metal Gd and transition metals Fe, Co, and magnetization of the memory magnetic layer is made optimum with the composition of GdFe or GdFeCo and the film construction of the same. Further, a magnetoresistance effect device can be constructed with ease, in which an inverse magnetic field of the memory magnetic layer is reduced, and the direction of the magnetization is maintained stably by making the magnetization of a pin magnetic layer optimum with the aid of the composition and film construction of the pin magnetic layer 13 by constituting the pin magnetic layer 13 with a TbFe or TbFeCo alloy.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、磁化の向きによっ
て情報を記録し、磁気抵抗効果によって再生する磁気抵
抗効果素子及び、それを用いた磁気薄膜メモリに関する
ものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a magnetoresistive effect element for recording information by the direction of magnetization and reproducing it by a magnetoresistive effect, and a magnetic thin film memory using the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】磁気抵抗効果素子は磁気薄膜メモリ素子
とも呼ばれ、半導体メモリと同様に稼動部のない固体メ
モリの素子である。しかも、電源が断たれても情報を失
わない、無限回の繰り返し書換えが可能である、放射線
が入射しても記録内容が消失する危険性がない等、半導
体メモリと比較して有利な点がある。
2. Description of the Related Art A magnetoresistive effect element is also called a magnetic thin film memory element, and is a solid-state memory element having no moving part like a semiconductor memory. Moreover, there are advantages compared with semiconductor memory, such as that information is not lost even if the power is cut off, infinite rewriting is possible, and there is no risk of losing recorded contents even when radiation is incident. is there.

【0003】トンネル磁気抵抗効果を利用した磁気薄膜
メモリ素子である強磁性トンネル接合素子は、2つの強
磁性層の間に厚さが数nmの薄い絶縁体からなるトンネ
ル障壁層を挟んだ構造を持つ。強磁性トンネル接合素子
は、2つの強磁性層間に一定の電流を流した状態で強磁
性層面内に外部磁界を印加すると、両強磁性層の磁化の
相対角度に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗効果現象が
現れる。
A ferromagnetic tunnel junction element, which is a magnetic thin film memory element utilizing the tunnel magnetoresistive effect, has a structure in which a tunnel barrier layer made of a thin insulator having a thickness of several nm is sandwiched between two ferromagnetic layers. To have. In a ferromagnetic tunnel junction element, when an external magnetic field is applied in the plane of the ferromagnetic layers with a constant current flowing between the two ferromagnetic layers, the resistance value changes according to the relative angle of magnetization of both ferromagnetic layers. The resistance effect phenomenon appears.

【0004】2つの強磁性層の磁化の向きが互いに平行
のとき、強磁性トンネル接合素子の抵抗値は最小とな
る。また、2つの強磁性層の磁化の向きが互いに反平行
のとき、強磁性トンネル接合素子の抵抗値は最大とな
る。
When the magnetization directions of the two ferromagnetic layers are parallel to each other, the resistance value of the ferromagnetic tunnel junction element becomes minimum. When the magnetization directions of the two ferromagnetic layers are antiparallel to each other, the resistance value of the ferromagnetic tunnel junction element becomes maximum.

【0005】2つの強磁性層に保磁力の差を持たせれ
ば、磁界の強さに応じて磁化の平行及び反平行状態を実
現できる。磁化を平行または反平行に制御することで情
報を記録することができ、抵抗値の変化により磁化状態
を検出することで情報の再生が可能である。
If the two ferromagnetic layers have a difference in coercive force, parallel and anti-parallel states of magnetization can be realized according to the strength of the magnetic field. Information can be recorded by controlling the magnetization in parallel or antiparallel, and information can be reproduced by detecting the magnetization state by the change in resistance value.

【0006】近年、トンネル障壁層にAlの表面酸化膜
を用いることによって、20%近い磁気抵抗変化率を示
す強磁性トンネル接合素子が得られるようになってい
る。そのことから、強磁性トンネル接合素子の磁気ヘッ
ドや磁気メモリへの応用の可能性が高まってきている。
こうした大きな磁気抵抗変化率を報告している文献の代
表例として、「1996年4月、ジャーナル・オブ・ア
プライド・フィジックス、79巻、4724〜4729
頁(Journal of Applied Phys
ics, vol.79, 4724〜4729, 1
996)」がある。
In recent years, by using an Al surface oxide film for the tunnel barrier layer, a ferromagnetic tunnel junction element having a magnetoresistance change rate of nearly 20% has been obtained. Therefore, the possibility of applying the ferromagnetic tunnel junction element to a magnetic head or a magnetic memory is increasing.
As a representative example of the literature reporting such a large magnetoresistance change rate, “April 1996, Journal of Applied Physics, Vol. 79, 4724-4729.
Page (Journal of Applied Phys
ics, vol. 79, 4724-4729, 1
996). "

【0007】磁気薄膜メモリの集積度を高くするために
素子サイズを小さくすると、面内磁化膜を使用した磁気
抵抗効果素子は、反磁界あるいは端面における磁化のカ
ーリングの影響から強磁性層の磁化方向を一定方向にで
きなくなり、情報の記録ができなくなる。
When the element size is reduced in order to increase the degree of integration of the magnetic thin film memory, the magnetoresistive effect element using the in-plane magnetized film has a magnetization direction of the ferromagnetic layer due to the influence of demagnetizing field or curling of magnetization at the end face. Cannot be recorded in a fixed direction, and information cannot be recorded.

【0008】この問題を回避するために強磁性層の形状
を磁化容易軸方向に長い長方形にするなどの対策をとる
と、素子サイズが小さくできなくなるため集積度が高く
できなくなる。
In order to avoid this problem, if the shape of the ferromagnetic layer is made a rectangle long in the direction of the easy axis of magnetization, the size of the element cannot be reduced and the degree of integration cannot be increased.

【0009】そこで、素子サイズが小さくなっても、磁
化方向を一定に保持できる強磁性体として提案されてい
るものに、特開平11−213650号公報に記載され
た、膜面垂直方向に磁化容易軸を持つ強磁性体、即ち垂
直磁化膜を用いた磁気薄膜メモリがある。
Therefore, a ferromagnetic material that can maintain the magnetization direction constant even if the element size becomes small is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-213650. There is a magnetic thin film memory using a ferromagnetic material having an axis, that is, a perpendicular magnetization film.

【0010】特開平11−213650号公報に記載さ
れたような垂直磁化膜を用いた磁気抵抗効果膜は、図5
(a)に示すように、第1の強磁性層51と第2の強磁
性層53の2つの強磁性層の磁化方向が同じ方向(即
ち、平行)であると、2つの強磁性層間の抵抗値は小さ
い。また、図5(b)に示すように2つの強磁性層の磁
化方向が互いに逆方向(即ち、反平行)であれば2つの
強磁性層間の抵抗値は大きい。
A magnetoresistive effect film using a perpendicularly magnetized film as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-213650 is shown in FIG.
As shown in (a), when the magnetization directions of the two ferromagnetic layers of the first ferromagnetic layer 51 and the second ferromagnetic layer 53 are the same direction (that is, parallel), the two ferromagnetic layers The resistance value is small. Further, as shown in FIG. 5B, if the magnetization directions of the two ferromagnetic layers are opposite to each other (that is, antiparallel), the resistance value between the two ferromagnetic layers is large.

【0011】図6を用いて、希土類金属と遷移金属のフ
ェリ磁性合金を垂直磁化膜に使用した磁気抵抗効果膜の
原理について説明する。
The principle of a magnetoresistive film using a ferrimagnetic alloy of a rare earth metal and a transition metal as a perpendicular magnetization film will be described with reference to FIG.

【0012】図6において、白枠の矢印は、希土類元素
と鉄族元素との磁化の差、即ち磁性層の正味の磁化の方
向を示す。また、実線の矢印は、鉄族遷移元素の磁化の
方向を示す。フェリ磁性膜の場合には、それぞれの元素
の副格子磁化は逆向きとなっている。
In FIG. 6, the arrow in the white frame indicates the difference in magnetization between the rare earth element and the iron group element, that is, the net magnetization direction of the magnetic layer. Further, the solid arrow indicates the direction of magnetization of the iron group transition element. In the case of a ferrimagnetic film, the sublattice magnetization of each element is in the opposite direction.

【0013】このうち希土類元素の磁性は4f電子が起
因して発生している。しかし、この4f電子は内殻の奥
深くに入っているため、電気伝導にはあまり寄与しな
い。一方、鉄族遷移元素の磁性の発生に寄与する3d電
子は、外殻に近いため一部伝導電子となっている。
Of these, the magnetism of the rare earth element is caused by 4f electrons. However, since these 4f electrons are deep inside the inner shell, they do not contribute much to electrical conduction. On the other hand, 3d electrons that contribute to the generation of magnetism of the iron group transition element are partly conduction electrons because they are close to the outer shell.

【0014】したがって、スピンの向きの相違による磁
気抵抗の値は、鉄族遷移元素のスピンにより影響を受け
やすい。このため磁気抵抗に起因するスピンの向きとし
ては鉄族元素のスピンの向きを見ればよいこととなる。
例えば、図6(a)に示したように、鉄族元素の磁気モ
ーメントが第1の強磁性層61と第2の強磁性層63と
で平行の場合には抵抗が小さく、図6(b)で示したよ
うに反平行の場合には抵抗が大きい。
Therefore, the value of the magnetic resistance due to the difference in the direction of spin is easily influenced by the spin of the iron group transition element. Therefore, the spin direction due to the magnetic resistance can be seen by looking at the spin direction of the iron group element.
For example, as shown in FIG. 6A, when the magnetic moments of the iron group element are parallel between the first ferromagnetic layer 61 and the second ferromagnetic layer 63, the resistance is small, and FIG. ), The resistance is large when antiparallel.

【0015】なお、図6では、各強磁性層の正味の磁化
と鉄族元素の磁化が同じ向きを向いている鉄族元素リッ
チ(TMリッチ)の場合を示したが、例えば、第1の強
磁性層61を希土類元素リッチ(REリッチ)、第2の
強磁性層63をTMリッチとしても良く、逆の構成とし
てもよい。
In FIG. 6, the case where the net magnetization of each ferromagnetic layer and the magnetization of the iron group element are oriented in the same direction is the iron group element rich (TM rich). The ferromagnetic layer 61 may be rare earth element rich (RE rich), and the second ferromagnetic layer 63 may be TM rich, or may be the reverse configuration.

【0016】[0016]

【発明が解決しようとする課題】これら希土類金属と遷
移金属の合金材料で構成され、書き込み線を流れる電流
で誘起される磁界によりメモリ磁性層の磁化を反転させ
ることが可能な磁気抵抗効果素子において、外部磁場印
加によるメモリ層の磁化反転や磁化方向の維持などの特
性を改善することが望まれている。
In a magnetoresistive effect element made of an alloy material of these rare earth metals and transition metals and capable of reversing the magnetization of a memory magnetic layer by a magnetic field induced by a current flowing in a write line. It is desired to improve characteristics such as magnetization reversal of the memory layer and maintenance of the magnetization direction by applying an external magnetic field.

【0017】本発明は、磁気抵抗効果素子においてメモ
リ層の磁化反転や磁化方向の維持などの特性を改善する
ことを目的とする。
An object of the present invention is to improve characteristics such as magnetization reversal and maintenance of magnetization direction of a memory layer in a magnetoresistive effect element.

【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、本発明の磁気抵抗効果素子は、GdFeまたはGd
FeCo合金からなり、磁化方向により情報を記憶する
メモリ磁性層と、TbFeまたはTbFeCo合金から
なり、前記メモリ磁性層より保磁力が大きく、前記メモ
リ磁性層の磁化方向を変化させても、磁化方向が変化し
ないピン磁性層と、前記メモリ磁性層と前記ピン磁性層
とで挟まれた非磁性絶縁層とを有している。
In order to achieve the above object, the magnetoresistive effect element of the present invention comprises GdFe or Gd.
A memory magnetic layer made of a FeCo alloy and storing information according to the magnetization direction, and a memory magnetic layer made of TbFe or TbFeCo alloy, having a coercive force larger than that of the memory magnetic layer, and the magnetization direction of the memory magnetic layer changes even if the magnetization direction is changed. It has a pin magnetic layer that does not change and a non-magnetic insulating layer sandwiched between the memory magnetic layer and the pin magnetic layer.

【0019】したがって、本発明によれば、GdFeま
たはGdFeCoをメモリ磁性層に用いることにより、
保磁力が小さく、希土類金属Gdと遷移金属Fe、Co
の組成により保磁力を最適に設定するとともに、GdF
eまたはGdFeCoの組成及び膜構成によりメモリ磁
性層の磁化を最適化する。
Therefore, according to the present invention, by using GdFe or GdFeCo in the memory magnetic layer,
Small coercive force, rare earth metal Gd and transition metals Fe, Co
The coercive force is optimally set by the composition of GdF
The magnetization of the memory magnetic layer is optimized by the composition and film configuration of e or GdFeCo.

【0020】また、本発明によれば、メモリ磁性層に用
いた材料よりも保磁力の大きいTbFeまたはTbFe
Coをピン磁性層に用いて、TbFeまたはTbFeC
oの組成及び膜構成によりピン磁性層の磁化を最適化す
ることにより、メモリの駆動条件でピン磁性層の磁化方
向が変化せず、メモリ磁性層への漏洩磁界が小さい磁気
抵抗効果素子を容易に構成することができる。
Further, according to the present invention, TbFe or TbFe having a coercive force larger than that of the material used for the memory magnetic layer is used.
TbFe or TbFeC using Co for the pin magnetic layer
By optimizing the magnetization of the pinned magnetic layer according to the composition of o and the film configuration, the magnetization direction of the pinned magnetic layer does not change under the memory driving conditions, and a magnetoresistive effect element with a small leakage magnetic field to the memory magnetic layer is easy. Can be configured to.

【0021】本発明の一態様によれば、前記メモリ磁性
層の厚さが2〜100nmであることを特徴とする。
According to an aspect of the present invention, the memory magnetic layer has a thickness of 2 to 100 nm.

【0022】したがって、前記メモリ磁性層の厚さを2
〜100nmとすることで、メモリ層の反転磁界が実用
範囲で素子サイズの小さい磁気抵抗効果素子を構成する
ことができる。
Therefore, the thickness of the memory magnetic layer is set to 2
By setting the thickness to ˜100 nm, it is possible to construct a magnetoresistive effect element having a small switching element magnetic field size in a practical range.

【0023】本発明の一態様によれば、前記ピン磁性層
の厚さが2〜100nmであることを特徴とする。
According to one aspect of the present invention, the pin magnetic layer has a thickness of 2 to 100 nm.

【0024】したがって、前記ピン磁性層の厚さを2〜
100nmとすることで、素子サイズの小さい磁気抵抗
効果素子を構成することができる。
Therefore, the thickness of the pin magnetic layer is set to 2 to
By setting the thickness to 100 nm, a magnetoresistive effect element having a small element size can be formed.

【0025】本発明の他の磁気抵抗効果素子は、GdF
eまたはGdFeCo合金からなり、磁化方向により情
報を記憶するメモリ磁性層と、TbFeまたはTbFe
Co合金とGdFeまたはGdFeCo合金とからなる
積層膜であり、前記メモリ磁性層より保磁力が大きく、
前記メモリ磁性層の磁化方向を変化させても、磁化方向
が変化しないピン磁性層と、前記メモリ磁性層と前記ピ
ン磁性層とで挟まれた非磁性絶縁層とを有している。
Another magnetoresistive effect element of the present invention is GdF.
a magnetic memory layer made of e or GdFeCo alloy and storing information according to the magnetization direction, and TbFe or TbFe
A laminated film made of a Co alloy and a GdFe or GdFeCo alloy, having a coercive force larger than that of the memory magnetic layer,
It has a pinned magnetic layer whose magnetization direction does not change even when the magnetization direction of the memory magnetic layer is changed, and a non-magnetic insulating layer sandwiched between the memory magnetic layer and the pinned magnetic layer.

【0026】したがって、TbFeまたはTbFeCo
合金とGdFeまたはGdFeCo合金とからなる積層
膜でピン磁性層を構成しているので、メモリ磁性層の反
転磁界を更に低く制御することができる。
Therefore, TbFe or TbFeCo
Since the pinned magnetic layer is composed of the laminated film made of the alloy and the GdFe or GdFeCo alloy, the reversal magnetic field of the memory magnetic layer can be controlled to be further low.

【0027】本発明の一態様によれば、前記ピン磁性層
を構成するGdFeまたはGdFeCo合金と、TbF
eまたはTbFeCo合金とは、それらの間に備えられ
た非磁性層を介して磁気的に結合している。
According to one aspect of the present invention, the GdFe or GdFeCo alloy forming the pinned magnetic layer and TbF are used.
The e or TbFeCo alloy is magnetically coupled through a non-magnetic layer provided between them.

【0028】本発明の一態様によれば、前記メモリ磁性
層、前記ピン磁性層の少なくとも一方がアモルファス膜
である。
According to one aspect of the present invention, at least one of the memory magnetic layer and the pin magnetic layer is an amorphous film.

【0029】本発明の強磁性体メモリは、本発明のいず
れか1つの磁気抵抗効果素子を複数有し、それぞれの前
記磁気抵抗効果素子と、それぞれの該磁気抵抗効果素子
に接続された電界効果トランジスタとで1ビットのメモ
リセルを構成している。
The ferromagnetic memory of the present invention has a plurality of magnetoresistive effect elements according to any one of the present invention, each magnetoresistive effect element, and an electric field effect connected to each of the magnetoresistive effect elements. A 1-bit memory cell is configured with the transistor.

【0030】また、本発明の他の強磁性体メモリは、本
発明のいずれか1つの磁気抵抗効果素子を複数有し、そ
れぞれの前記磁気抵抗効果素子と、それぞれの該磁気抵
抗効果素子に接続されたダイオードとで1ビットのメモ
リセルを構成している。
Another ferromagnetic memory of the present invention has a plurality of magnetoresistive effect elements according to any one of the present invention, and is connected to each of the magnetoresistive effect elements and each of the magnetoresistive effect elements. The formed diode constitutes a 1-bit memory cell.

【0031】本発明の情報機器は、本発明のいずれか1
つの強磁性体メモリを内蔵メモリとして搭載している。
The information equipment of the present invention is any one of the present invention.
It has two ferromagnetic memories as built-in memory.

【0032】[0032]

【発明の実施の形態】本発明の一実施形態について図面
を参照して詳細に説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION An embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

【0033】図1は、本実施形態の磁気抵抗効果素子の
構造を示す断面図である。図1を参照すると、本実施形
態の磁気抵抗効果素子10は、メモリ磁性層11、絶縁
層12及びピン磁性層13で構成されている。
FIG. 1 is a sectional view showing the structure of the magnetoresistive effect element of this embodiment. Referring to FIG. 1, the magnetoresistive effect element 10 of the present embodiment includes a memory magnetic layer 11, an insulating layer 12 and a pin magnetic layer 13.

【0034】メモリ磁性層11は、最適な膜厚のGdF
eまたはGdFeCoの層であり、膜面垂直方向に磁化
容易軸を持ち磁化方向によって情報を記録する。垂直磁
化特性を有するフェリ磁性材料の中で、GdFeまたは
GdFeCo材料は、保磁力が比較的小さく、また、希
土類金属Gdと遷移金属Fe、Coの組成により保磁力
の制御が可能なので、磁気抵抗効果膜のメモリ磁性層1
1として適している。また、アモルファス状態とするこ
とで、粒界が存在しなくなり磁化が垂直に向きやすくな
り好適である。これは成膜時の条件を適宜選択すること
で作成可能である。
The memory magnetic layer 11 has an optimum film thickness of GdF.
It is a layer of e or GdFeCo and has an easy axis of magnetization in the direction perpendicular to the film surface and records information by the direction of magnetization. Among ferrimagnetic materials having perpendicular magnetization characteristics, the GdFe or GdFeCo material has a relatively small coercive force, and the coercive force can be controlled by the composition of the rare earth metal Gd and the transition metals Fe and Co. Membrane memory magnetic layer 1
Suitable as 1. In addition, the amorphous state is preferable because the grain boundaries do not exist and the magnetization is easily oriented vertically. This can be created by appropriately selecting the conditions during film formation.

【0035】絶縁層12は、Al23の薄い層であり、
トンネル電流を許容する。
The insulating layer 12 is a thin layer of Al 2 O 3 ,
Allow tunnel current.

【0036】ピン磁性層13は、最適な膜厚のTbFe
またはTbFeCoの層であり、メモリ磁性層11より
保磁力が大きく、通常のメモリ動作状況では磁化方向が
変化しない様に制御してある。メモリ磁性層11より保
磁力が大きいフェリ磁性材料としてTbFe又はTbF
eCo材料を使用することで、磁気薄膜メモリの駆動条
件では磁化方向が変化しないピン磁性層13が容易に得
られる。また、アモルファス状態とすることで、粒界が
存在しなくなり磁化が垂直に向きやすくなり好適であ
る。これは成膜時の条件を適宜選択することで作成可能
である。
The pinned magnetic layer 13 is made of TbFe having an optimum film thickness.
Alternatively, it is a layer of TbFeCo and has a coercive force larger than that of the memory magnetic layer 11, and is controlled so that the magnetization direction does not change in a normal memory operating condition. As a ferrimagnetic material having a coercive force larger than that of the memory magnetic layer 11, TbFe or TbF is used.
By using the eCo material, the pinned magnetic layer 13 whose magnetization direction does not change under the driving conditions of the magnetic thin film memory can be easily obtained. In addition, the amorphous state is preferable because the grain boundaries do not exist and the magnetization is easily oriented vertically. This can be created by appropriately selecting the conditions during film formation.

【0037】磁気抵抗効果素子10の抵抗値は、薄い絶
縁層12の膜厚に依存しており、また素子サイズを小さ
くすると素子の断面積が減少し素子抵抗が増大する。素
子サイズが小さくなっても、磁気抵抗効果素子10の動
作時間を維持するためには、素子サイズに応じて絶縁層
12の厚さを更に薄くし、素子抵抗の増大を抑制する必
要がある。
The resistance value of the magnetoresistive effect element 10 depends on the film thickness of the thin insulating layer 12, and if the element size is reduced, the cross-sectional area of the element decreases and the element resistance increases. In order to maintain the operation time of the magnetoresistive effect element 10 even if the element size becomes small, it is necessary to further reduce the thickness of the insulating layer 12 according to the element size and suppress an increase in element resistance.

【0038】絶縁層12が薄くなると、その上下に配さ
れた強磁性層同士の静磁的結合力が強くなり、磁化の反
平行状態を実現し難くなるので、絶縁層12の膜厚が薄
い場合においても、磁化の反平行状態を実現するため
に、上下の強磁性層の静磁的結合力を小さくするため
に、強磁性層の磁化、特に、ピン磁性層13の磁化は小
さくすることが好ましい。
When the insulating layer 12 becomes thin, the magnetostatic coupling force between the ferromagnetic layers arranged above and below the insulating layer 12 becomes strong, and it becomes difficult to realize the antiparallel state of the magnetization. Therefore, the insulating layer 12 is thin. Also in this case, in order to realize the antiparallel state of the magnetization, the magnetization of the ferromagnetic layers, particularly the magnetization of the pinned magnetic layer 13 should be reduced in order to reduce the magnetostatic coupling force between the upper and lower ferromagnetic layers. Is preferred.

【0039】フェリ磁性体では、希土類金属及び遷移金
属の組成により、磁化がほぼゼロとなる補償組成が存在
するので、組成を選択することで磁化を最適な大きさに
設定することができる。 また、磁化は磁性体の体積に
比例するので、単純に膜厚を制御することでも磁化を調
整することができる。
In the ferrimagnetic material, there is a compensating composition in which the magnetization becomes almost zero depending on the composition of the rare earth metal and the transition metal. Therefore, the magnetization can be set to the optimum size by selecting the composition. Further, since the magnetization is proportional to the volume of the magnetic substance, the magnetization can be adjusted by simply controlling the film thickness.

【0040】磁化方向が変化しないピン磁性層13とし
て、保磁力が大きいテルビウム(Tb)と遷移金属(F
e,Co)の合金が使用されている。ピン磁性層13
は、磁化方向が変化しないことが条件であり、保磁力と
して数kOeを有するTbFe、TbFeCoが適して
いる。
As the pinned magnetic layer 13 whose magnetization direction does not change, terbium (Tb) and transition metal (F) having a large coercive force are used.
e, Co) alloy is used. Pin magnetic layer 13
Requires that the magnetization direction does not change, and TbFe and TbFeCo having a coercive force of several kOe are suitable.

【0041】しかし、ピン磁性層13の磁化が大きい
と、前述のように、ピン磁性層13とメモリ磁性11層
の静磁結合が強くなり、メモリ磁性層11の磁化反転に
必要な磁界を大きくしてしまうので、磁化は小さい方が
望ましい。
However, if the magnetization of the pinned magnetic layer 13 is large, as described above, the magnetostatic coupling between the pinned magnetic layer 13 and the memory magnetic 11 layer becomes strong, and the magnetic field required for the magnetization reversal of the memory magnetic layer 11 is increased. Therefore, it is desirable that the magnetization be small.

【0042】テルビニウムの組成を補償組成とすれば、
ピン磁性層13の磁化をゼロにすることが可能である
が、現実的には、補償組成付近の19at%〜27at
%に設定することで、単位体積当りの磁化を100em
u/cm3以下にするとともに、更に、ピン磁性層13
の厚さを2〜100nmの範囲内で調整することで、ピ
ン磁性層13の磁化の大きさをメモリ磁性層11の保磁
力以下に調整する。
If the composition of terbium is a compensating composition,
It is possible to make the magnetization of the pinned magnetic layer 13 zero, but in reality, 19 at% to 27 at% near the compensation composition.
%, The magnetization per unit volume is 100 em
u / cm 3 or less, and further, the pin magnetic layer 13
Is adjusted within the range of 2 to 100 nm, the magnitude of magnetization of the pinned magnetic layer 13 is adjusted to be equal to or less than the coercive force of the memory magnetic layer 11.

【0043】一方、TbFeまたはTbFeCoを補償
組成にすると、Tbの磁化とFeまたはFeCoの磁化
が拮抗し、磁化反転が生じにくくなる。したがって、メ
モリとして使用する際に、ピン磁性層13の磁化方向を
揃える必要がある場合は、外部から大きな磁場を印加し
なければならない。
On the other hand, when TbFe or TbFeCo is used as the compensating composition, the magnetization of Tb and the magnetization of Fe or FeCo are antagonized, and the magnetization reversal becomes difficult to occur. Therefore, when it is necessary to align the magnetization directions of the pinned magnetic layers 13 when used as a memory, a large magnetic field must be applied from the outside.

【0044】そこで、ピン磁性層13として、磁化が小
さいGdFe又はGdFeCoと適当な大きさの磁化を
有するTbFe又はTbFeCoの積層膜を使用するこ
とで、メモリ磁性層11への漏洩磁界を低減し、メモリ
磁性層11のオフセット磁界を低減するとともに、ピン
磁性層13の磁化方向を一定方向に揃える初期化に必要
な外部磁界の大きさを最適値に設定することが可能とな
る。
Therefore, by using a laminated film of GdFe or GdFeCo having a small magnetization and TbFe or TbFeCo having a magnetization of an appropriate size as the pinned magnetic layer 13, the leakage magnetic field to the memory magnetic layer 11 is reduced, It is possible to reduce the offset magnetic field of the memory magnetic layer 11 and set the magnitude of the external magnetic field required for initialization for aligning the magnetization direction of the pinned magnetic layer 13 in a fixed direction to an optimum value.

【0045】一方、磁気薄膜メモリの駆動条件で磁化が
反転するメモリ磁性層11は100(Oe)以下の小さ
な保磁力であることが好ましく、ガドリニウム(Gd)
と遷移金属(Fe,Co)の合金が使用される。また、
メモリ磁性層11が、外部磁界印加によりその磁化方向
を反転したり、安定に磁化方向を維持するためには、適
当な大きさの磁化を有することが望ましく、動作温度領
域において磁化がゼロとなる補償組成と一致しないこと
が必要である。つまり、ガドリニウム(Gd)と遷移金
属(Fe,Co)の組成を補償組成にならないように制
御するとともに厚さを2〜100nmの範囲とすること
で、メモリ磁性層11の磁化を調整する。
On the other hand, the memory magnetic layer 11 in which the magnetization is inverted under the driving conditions of the magnetic thin film memory preferably has a small coercive force of 100 (Oe) or less, and gadolinium (Gd).
And transition metal (Fe, Co) alloys are used. Also,
In order to invert the magnetization direction of the memory magnetic layer 11 by applying an external magnetic field and to maintain the magnetization direction stably, it is desirable that the memory magnetic layer 11 has an appropriate magnitude of magnetization, and the magnetization becomes zero in the operating temperature region. It is necessary that it does not match the compensation composition. In other words, the magnetization of the memory magnetic layer 11 is adjusted by controlling the composition of gadolinium (Gd) and the transition metal (Fe, Co) so as not to be the compensating composition and setting the thickness within the range of 2 to 100 nm.

【0046】次に本発明の磁気抵抗効果素子10の動作
について説明する。
Next, the operation of the magnetoresistive effect element 10 of the present invention will be described.

【0047】図2は、本実施形態の磁気抵抗効果素子1
0を用いた磁性薄膜における、情報記録動作を説明する
ための回路構成図である。磁気薄膜メモリは強磁性体メ
モリとも呼ばれる。
FIG. 2 shows a magnetoresistive effect element 1 of this embodiment.
FIG. 6 is a circuit configuration diagram for explaining an information recording operation in a magnetic thin film using 0. The magnetic thin film memory is also called a ferromagnetic memory.

【0048】図2を参照すると、本実施形態の強磁性体
メモリは、書き込み駆動回路21、磁気抵抗効果素子r
11,r12,r13,r21,r22,r23,r3
1,r32,r33、電界効果トランジスタt11,t
12,t13,t21,t22,t23,t31,t3
2,t33,Tw11,Tw12,Tw13,Tw1
4,Tw21,Tw22,Tw23,Tw24,Tw3
1,Tw32,Tw33,Tw34、Ts1,Ts2,
Ts3,Tb11,Tb12,Tb21,Tb22,T
b31,Tb32、センスアンプSA1,SA2,SA
3、ビット線BL1,BL2,BL3、ワード線WL
1,WL2,WL3及び書き込み線WWL1,WWL
2,WWL3を有している。
Referring to FIG. 2, the ferromagnetic memory of the present embodiment has a write drive circuit 21 and a magnetoresistive effect element r.
11, r12, r13, r21, r22, r23, r3
1, r32, r33, field effect transistors t11, t
12, t13, t21, t22, t23, t31, t3
2, t33, Tw11, Tw12, Tw13, Tw1
4, Tw21, Tw22, Tw23, Tw24, Tw3
1, Tw32, Tw33, Tw34, Ts1, Ts2
Ts3, Tb11, Tb12, Tb21, Tb22, T
b31, Tb32, sense amplifiers SA1, SA2, SA
3, bit lines BL1, BL2, BL3, word line WL
1, WL2, WL3 and write lines WWL1, WWL
2 and WWL3.

【0049】磁気抵抗効果素子r11,r12,r1
3,r21,r22,r23,r31,r32,r33
及び電界効果トランジスタt11,t12,t13,t
21,t22,t23,t31,t32,t33でメモ
リセルアレイが構成されている。各磁気抵抗効果素子
と、それに対応する電解効果トランジスタとでメモリセ
ルが構成されている。
Magnetoresistive effect elements r11, r12, r1
3, r21, r22, r23, r31, r32, r33
And field effect transistors t11, t12, t13, t
A memory cell array is composed of 21, t22, t23, t31, t32, and t33. A memory cell is composed of each magnetoresistive effect element and the corresponding field effect transistor.

【0050】書き込み線WWL1,WWL2,WWL3
及びビット線BL1,BL2,BL3が制御され、書き
込み駆動回路21から各配線に流れる電流により、所望
の磁気抵抗効果素子に情報が書き込まれる。
Write lines WWL1, WWL2, WWL3
The bit lines BL1, BL2, BL3 are controlled, and information is written in a desired magnetoresistive effect element by the current flowing from the write drive circuit 21 to each wiring.

【0051】ワード線WL1が制御され、選択された磁
気抵抗効果素子に磁化の状態として記録された情報がビ
ット線を介してセンスアンプで検出される。
The word line WL1 is controlled, and the information recorded as the magnetization state in the selected magnetoresistive effect element is detected by the sense amplifier via the bit line.

【0052】磁気抵抗効果素子r11,r12,r1
3,r21,r22,r23,r31,r32,r33
は、厚さ0.5〜2nmの薄いアルミニウム酸化膜を、
垂直方向(厚さ方向)に磁化容易軸を有するフェリ磁性
体であるGdFeCoメモリ磁性層とTbFeCoピン
磁性層で挟んだ構造である。
Magnetoresistive elements r11, r12, r1
3, r21, r22, r23, r31, r32, r33
Is a thin aluminum oxide film having a thickness of 0.5 to 2 nm,
This structure is sandwiched between a GdFeCo memory magnetic layer, which is a ferrimagnetic material having an easy axis of magnetization in the vertical direction (thickness direction), and a TbFeCo pin magnetic layer.

【0053】情報は、メモリ磁性層の磁化方向として記
録される。メモリ磁性層の磁化方向は、反転磁界以上の
外部磁界が印加されない限り保存されるので、不揮発性
のメモリとして動作する。読み出しは、2つの磁性層の
磁化が同じ方向(平行)を向いているか、互いに反対方
向(反平行)を向いているかによって、アルミニウム酸
化膜を介して流れるトンネル電流値が異なることを利用
して行う。
Information is recorded as the magnetization direction of the memory magnetic layer. Since the magnetization direction of the memory magnetic layer is preserved unless an external magnetic field higher than the reversal magnetic field is applied, it operates as a non-volatile memory. For reading, the tunnel current value flowing through the aluminum oxide film is different depending on whether the magnetizations of the two magnetic layers are in the same direction (parallel) or in opposite directions (antiparallel). To do.

【0054】電界効果型トランジスタt11,t12,
t13,t21,t22,t23,t31,t32,t
33のドレイン端子と、それぞれに対応する磁気抵抗効
果素子r11,r12,r13,r21,r22,r2
3,r31,r32,r33の一方の端子が接続されて
いる。
The field effect transistors t11, t12,
t13, t21, t22, t23, t31, t32, t
33 drain terminals and the corresponding magnetoresistive elements r11, r12, r13, r21, r22, r2
One terminal of 3, r31, r32, and r33 is connected.

【0055】更に、電界効果型トランジスタt11,t
12,t13,t21,t22,t23,t31,t3
2,t33のゲート端子は対応するワード線WL1,W
L2,WL3に接続され、ソース端子は接地されてい
る。また、磁気抵抗効果素子r11,r12,r13,
r21,r22,r23,r31,r32,r33の他
方の端子は対応するビット線BL1,BL2,BL3に
接続されている。
Further, the field effect transistors t11, t
12, t13, t21, t22, t23, t31, t3
2, the gate terminals of t33 are corresponding word lines WL1, W
It is connected to L2 and WL3, and the source terminal is grounded. Further, the magnetoresistive effect elements r11, r12, r13,
The other terminals of r21, r22, r23, r31, r32, r33 are connected to the corresponding bit lines BL1, BL2, BL3.

【0056】電界効果型トランジスタTw11,Tw1
2,Tw13,Tw14,Tw21,Tw22,Tw2
3,Tw24,Tw31,Tw32,Tw33,Tw3
4はスイッチング素子であり、同一の書き込み線に接続
された対角にある電界効果型トランジスタ同士(例え
ば、Tw21とTw24)が同時にオンすると対応する
書き込み線(例えば、WWL2)に電流が流れ、その書
き込み線に隣接する磁気抵抗効果素子に垂直方向の磁界
が印加される。図2では、電界効果トランジスタTw2
1,T24及び書き込み線WWL2が太線で示されてい
る。
Field effect transistors Tw11 and Tw1
2, Tw13, Tw14, Tw21, Tw22, Tw2
3, Tw24, Tw31, Tw32, Tw33, Tw3
Reference numeral 4 denotes a switching element, and when field-effect transistors (eg, Tw21 and Tw24) diagonally connected to the same write line are simultaneously turned on, a current flows in the corresponding write line (eg, WWL2), and A vertical magnetic field is applied to the magnetoresistive effect element adjacent to the write line. In FIG. 2, the field effect transistor Tw2
1, T24 and the write line WWL2 are indicated by thick lines.

【0057】電界効果型トランジスタTb11,Tb1
2,Tb21,Tb22,Tb31,Tb32はスイッ
チング素子であり、ビット線の両端にある電界効果型ト
ランジスタ(例えば、Tb21とTb22)が同時にオ
ンすると対応するビット線(例えば、BL2)に電流が
流れ、そのビット線に接続された磁気抵抗効果素子に面
内方向の磁界が印加される。
Field effect transistors Tb11 and Tb1
2, Tb21, Tb22, Tb31, Tb32 are switching elements, and when field effect transistors (eg, Tb21 and Tb22) at both ends of the bit line are turned on at the same time, a current flows in the corresponding bit line (eg, BL2), An in-plane magnetic field is applied to the magnetoresistive effect element connected to the bit line.

【0058】垂直・面内磁界が同時に印加された磁気抵
抗効果素子のメモリ磁性層が磁化反転可能となり、書き
込み動作が行われる。
The magnetization of the memory magnetic layer of the magnetoresistive effect element to which the perpendicular and in-plane magnetic fields are simultaneously applied becomes reversible, and the write operation is performed.

【0059】図3は、本実施形態の磁気抵抗効果素子1
0を用いた強磁性体メモリにおける、情報読み出し動作
を説明するための回路構成図である。図3を参照する
と、読み出し駆動回路31が示されている点が図2と異
なる。
FIG. 3 shows a magnetoresistive effect element 1 of this embodiment.
FIG. 6 is a circuit configuration diagram for explaining an information reading operation in a ferromagnetic memory using 0. Referring to FIG. 3, it differs from FIG. 2 in that a read drive circuit 31 is shown.

【0060】ここでは、磁気抵抗効果素子r22に記録
されている情報を読み出す場合の動作を一例として説明
する。
Here, the operation for reading the information recorded in the magnetoresistive effect element r22 will be described as an example.

【0061】ビット線BL2に接続されている読み出し
駆動回路31によりビット線BL2に一定電流を流した
状態で、ワード線WL2に電圧を印加し、電界効果トラ
ンジスタT22をオンにし、ビット線BL2の電位をセ
ンスアンプSA2に入力する。センスアンプSA2で、
入力されたビット線BL2の電位と参照電位Refとを
比較する。
With a constant current flowing through the bit line BL2 by the read drive circuit 31 connected to the bit line BL2, a voltage is applied to the word line WL2, the field effect transistor T22 is turned on, and the potential of the bit line BL2 is turned on. To the sense amplifier SA2. With the sense amplifier SA2,
The input potential of the bit line BL2 is compared with the reference potential Ref.

【0062】ビット線BL2の電位は、磁気抵抗効果素
子r22の抵抗値、即ち情報により変化するので、セン
スアンプSA2で情報を検出することができる。ビット
線BL2の電位が高ければ、磁気抵抗効果素子r22を
構成する2つの磁性層の磁化方向が互いに反平行であ
り、低ければ互いに平行である。
Since the potential of the bit line BL2 changes depending on the resistance value of the magnetoresistive effect element r22, that is, information, the sense amplifier SA2 can detect information. If the potential of the bit line BL2 is high, the magnetization directions of the two magnetic layers forming the magnetoresistive effect element r22 are antiparallel to each other, and if the potential is low, they are parallel to each other.

【0063】具体的な実施例について説明する。 (実施例1)膜面垂直方向に磁化容易軸を持つ磁気抵抗
効果素子における磁化方向が変化しないピン磁性層とし
て、Tbの組成を補償組成となる約23%付近とし、T
bFeCoをスパッタ成膜した。それにより、ピン磁性
層の単位体積当りの磁化は、成膜条件により多少ばらつ
きはあったが、およそ20emu/cm3以下となっ
た。
Specific examples will be described. (Example 1) As a pinned magnetic layer in which the magnetization direction in the magnetoresistive effect element having an easy axis of magnetization in the direction perpendicular to the film surface is not changed, the composition of Tb is set to about 23% which is a compensation composition, and T
bFeCo was formed by sputtering. As a result, the magnetization per unit volume of the pinned magnetic layer was about 20 emu / cm 3 or less, although it varied somewhat depending on the film forming conditions.

【0064】そこで、ピン磁性層となるTbFeCoの
膜厚を10nmに設定した。この上に、トンネル絶縁層
として1.5nmのAl23を形成した。
Therefore, the film thickness of TbFeCo to be the pinned magnetic layer was set to 10 nm. A 1.5 nm thick Al 2 O 3 layer was formed as a tunnel insulating layer on this layer.

【0065】次に、メモリ磁性層として、Gdの組成を
磁化がゼロとなる補償組成より遷移金属磁化優勢となる
約22%付近とし、GdFeCoを20nmスパッタ成
膜した。このメモリ磁性層の単位体積当りの磁化は、お
よそ20emu/cm3以上50emu/cm3以下の範
囲になり、安定な磁化反転と記憶保持が得られた。
Next, as a memory magnetic layer, GdFeCo was sputter-deposited with a thickness of 20 nm with the composition of Gd being set to about 22% at which the transition metal magnetization was dominant over the compensation composition with zero magnetization. The magnetization per unit volume of the memory magnetic layer was in the range of about 20 emu / cm 3 or more and 50 emu / cm 3 or less, and stable magnetization reversal and memory retention were obtained.

【0066】また、メモリ磁性層の保磁力として50O
e程度が得られ、ピン磁性層からメモリ磁性層への漏洩
磁界は5Oe以下であったので、漏洩磁界の特性への影
響は無視できるレベルであった。
The coercive force of the memory magnetic layer is 50 O
Since the leakage magnetic field from the pinned magnetic layer to the memory magnetic layer was 5 Oe or less, the influence of the leakage magnetic field on the characteristics was negligible.

【0067】この組成及び膜構造により良好な特性を得
ることができたので、この構造を用いた実施例としてメ
モリセルを作製した。
Since good characteristics could be obtained by this composition and film structure, a memory cell was manufactured as an example using this structure.

【0068】図4は、本発明の具体的な実施例として作
製したメモリセルの構造を示す断面図である。図4に示
すように、p型シリコン基板41上に、SiO2からな
る埋め込み型素子分離領域43と、スイッチング素子と
して機能する電界効果型トランジスタのドレインおよび
ソースとなるn型拡散領域421およびn型拡散領域4
20と、SiO2ゲート絶縁膜422と、ポリシリコン
ゲート電極423を形成した。
FIG. 4 is a sectional view showing the structure of a memory cell manufactured as a specific example of the present invention. As shown in FIG. 4, on a p-type silicon substrate 41, a buried element isolation region 43 made of SiO 2 , an n-type diffusion region 421 and a n-type diffusion region 421 serving as a drain and a source of a field effect transistor functioning as a switching element are formed. Diffusion area 4
20, a SiO 2 gate insulating film 422, and a polysilicon gate electrode 423 were formed.

【0069】更に、TiNローカル配線45を介して電
界効果型トランジスタのドレインに一方の端子が接続さ
れ、Ti/AlSiCu/Tiで構成された読み出し用
ビット線46に他方の端子が接続されるように、上述し
た構造のTbFeCo/Al 23/GdFeCo磁気抵
抗効果素子44を形成した。
Further, electric power is supplied through the TiN local wiring 45.
One terminal is connected to the drain of the field effect transistor.
Read out made of Ti / AlSiCu / Ti
As described above, the other terminal is connected to the bit line 46.
Structure of TbFeCo / Al 2O3/ GdFeCo magnetic resistance
The anti-effect element 44 was formed.

【0070】書き込み配線47は磁気抵抗効果素子44
に近接し、やや下方に設けられている。
The write wiring 47 is the magnetoresistive effect element 44.
Proximity to and slightly below.

【0071】以上のように作製した構造のメモリセルを
マトリックス状に配置することで、図2、3に示したよ
うな強磁性体メモリを構成することができる。
By arranging the memory cells having the structure manufactured as described above in a matrix, a ferromagnetic memory as shown in FIGS. 2 and 3 can be constructed.

【0072】なお、ここでは、一例として、磁気抵抗効
果素子と電解効果トランジスタとが接続されたメモリセ
ルを有する強磁性体メモリを示したが、本発明は、磁気
抵抗効果素子とダイオードとが接続されたメモリセルを
有する構成の強磁性体メモリにおいても同様に有効であ
る。 (実施例2)図7は、本発明の他の実施例の磁気抵抗効
果素子の構造を示す断面図である。
Here, as an example, a ferromagnetic memory having a memory cell in which a magnetoresistive effect element and a field effect transistor are connected is shown, but in the present invention, the magnetoresistive effect element and a diode are connected. The same is also effective in a ferromagnetic memory having a structure having a memory cell. (Embodiment 2) FIG. 7 is a sectional view showing the structure of a magnetoresistive effect element according to another embodiment of the present invention.

【0073】図7の磁気抵抗効果素子は、ピン磁性層7
3が、磁化の小さいGdFeCo層731とTbFeC
o層732の積層で構成されている。具体的には、Tb
FeCo層732は、Tbの組成を磁化がゼロとなる補
償組成より遷移金属磁化が優位な組成である22%付近
にして、単位体積当りの磁化20〜50emu/cm 3
を得た。この約10nmのTbFeCo層732上に、
Gdの組成を補償組成付近の23%であるGdFeCo
層731を10nm積層した。更に、実施例1と同様に
トンネル絶縁層72となるAl23:1.5nm、メモ
リ磁性層71となるGd組成約22%のGdFeCo:
10nmを順次積層した。
The magnetoresistive effect element of FIG. 7 has the pin magnetic layer 7
3 is a GdFeCo layer 731 and TbFeC with small magnetization.
It is composed of a stack of o layers 732. Specifically, Tb
The FeCo layer 732 supplements the composition of Tb so that the magnetization becomes zero.
Around 22%, where transition metal magnetization is superior to compensated composition
And the magnetization per unit volume is 20 to 50 emu / cm 3
Got On this approximately 10 nm TbFeCo layer 732,
The composition of Gd is 23% in the vicinity of the compensating composition. GdFeCo
The layer 731 was stacked to have a thickness of 10 nm. Furthermore, as in the first embodiment
Al to be the tunnel insulating layer 722O3: 1.5nm, memo
GdFeCo having a Gd composition of about 22% to form the remagnetic layer 71:
10 nm was sequentially laminated.

【0074】ピン磁性層73を構成するTbFeCo層
732は、実施例1より大きい磁化を有するので漏洩磁
界も大きくなるが、メモリ磁性層71との距離は、磁化
が小さいGdFeCo層731の厚さだけ離れることに
なるので、メモリ磁性層71におけるピン磁性層73か
らの漏洩磁界は、5Oe以下となった。
The TbFeCo layer 732 forming the pinned magnetic layer 73 has a larger magnetic field than that of the first embodiment and therefore has a larger leakage magnetic field. However, the distance from the memory magnetic layer 71 is equal to the thickness of the GdFeCo layer 731 having a smaller magnetization. Since they were separated from each other, the leakage magnetic field from the pin magnetic layer 73 in the memory magnetic layer 71 was 5 Oe or less.

【0075】ところで、磁気抵抗効果素子をメモリとし
て使用する場合は、ピン磁性層の磁化方向を一方向に揃
えるために、ピン磁性層の保磁力より大きい磁場を印加
して初期化を行う。ピン磁性層をフェリ磁性体で構成
し、その組成を希土類の磁化と遷移金属の磁化がほぼ等
しくなる、つまり、正味の磁化がほぼゼロになる補償組
成付近にすると、外部磁界でピン磁性層の磁化方向を揃
えることが困難になるが、本構成によれば、ピン層73
を構成するTbFeCo層732に初期化に適した磁化
を持たせて、初期化を容易にするとともに、安定な磁気
抵抗特性を可能にできる。
When the magnetoresistive effect element is used as a memory, in order to align the magnetization direction of the pinned magnetic layer in one direction, a magnetic field larger than the coercive force of the pinned magnetic layer is applied for initialization. When the pinned magnetic layer is made of ferrimagnetic material and its composition is set so that the magnetization of the rare earth and the magnetization of the transition metal are almost equal, that is, near the compensation composition where the net magnetization is almost zero, the pinned magnetic layer is exposed to an external magnetic field. Although it is difficult to align the magnetization directions, according to this configuration, the pinned layer 73
By making the TbFeCo layer 732 that composes a magnetic layer suitable for initialization, the initialization can be facilitated and stable magnetoresistive characteristics can be realized.

【0076】[0076]

【発明の効果】したがって、本発明によれば、GdFe
またはGdFeCoをメモリ磁性層に用いることによっ
て、メモリ磁性層の保磁力及び磁化を最適値に設定する
とともに、TbFeまたはTbFeCoをピン磁性層に
用いることによって、ピン磁性層の保磁力及び磁化を最
適値に設定することによって、メモリ磁性層が良好な磁
化反転特性を有し、かつ、磁化方向の維持に優れた磁気
抵抗効果素子を容易に構成することができる。
Therefore, according to the present invention, GdFe
Alternatively, by using GdFeCo for the memory magnetic layer, the coercive force and magnetization of the memory magnetic layer are set to optimum values, and by using TbFe or TbFeCo for the pin magnetic layer, the coercive force and magnetization of the pin magnetic layer are optimized. By setting to 3, it is possible to easily configure a magnetoresistive effect element in which the memory magnetic layer has good magnetization reversal characteristics and which is excellent in maintaining the magnetization direction.

【0077】また、メモリ磁性層を構成するフェリ磁性
体の組成を補償組成から離し、かつ、厚さを2〜100
nmとすること、さらに、ピン層の磁化の大きさを制御
するために、厚さを2〜100nmにすることで、メモ
リ層に対する漏洩磁界を低減し、安定に動作する磁気抵
抗効果素子を実現できる。
Further, the composition of the ferrimagnetic material constituting the memory magnetic layer is separated from the compensating composition, and the thickness is 2 to 100.
nm, and further, in order to control the magnitude of the magnetization of the pinned layer, the thickness is set to 2 to 100 nm, thereby reducing the leakage magnetic field to the memory layer and realizing a stable magnetoresistive effect element. it can.

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

【図1】本実施形態の磁気抵抗効果素子の構造を示す断
面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a magnetoresistive effect element according to this embodiment.

【図2】本実施形態の磁気抵抗効果素子10を用いた磁
性薄膜における、情報記録動作を説明するための回路構
成図である。
FIG. 2 is a circuit configuration diagram for explaining an information recording operation in a magnetic thin film using the magnetoresistive effect element 10 of the present embodiment.

【図3】本実施形態の磁気抵抗効果素子10を用いた強
磁性体メモリにおける、情報読み出し動作を説明するた
めの回路構成図である。
FIG. 3 is a circuit configuration diagram for explaining an information reading operation in a ferromagnetic memory using the magnetoresistive effect element 10 of the present embodiment.

【図4】本発明の具体的な実施例として作製したメモリ
セルの構造を示す断面図である。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the structure of a memory cell manufactured as a specific example of the present invention.

【図5】垂直方向に磁化容易軸を有する磁気抵抗効果素
子について説明するための図である。
FIG. 5 is a diagram for explaining a magnetoresistive effect element having an easy axis of magnetization in the vertical direction.

【図6】フェリ磁性体で構成された垂直磁化の磁気抵抗
効果素子について説明するための図である。
FIG. 6 is a diagram for explaining a perpendicular magnetization magnetoresistive effect element formed of a ferrimagnetic material.

【図7】実施例2の磁気抵抗効果素子の構造を示す断面
図である。
FIG. 7 is a cross-sectional view showing the structure of a magnetoresistive effect element of Example 2.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 磁気抵抗効果素子 11 メモリ磁性層 12 絶縁層 13 ピン磁性層 21 書き込み駆動回路 31 読み出し駆動回路 41 p型シリコン基板 43 埋め込み型素子分離領域 420 n型拡散領域 421 n型拡散領域 422 SiO2ゲート絶縁膜 423 ポリシリコンゲート電極 44 磁気抵抗効果素子 45 TiNローカル配線 46 ビット線 47 書き込み線 71 メモリ磁性層 72 トンネル絶縁層 73 ピン磁性層 731 GdFeCo層 732 TbFeCo層 r11,r12,r13,r21,r22,r23,r
31,r32,r33磁気抵抗効果素子 t11,t12,t13,t21,t22,t23,t
31,t32,t33,Tw11,Tw12,Tw1
3,Tw14,Tw21,Tw22,Tw23,Tw2
4,Tw31,Tw32,Tw33,Tw34、Ts
1,Ts2,Ts3,Tb11,Tb12,Tb21,
Tb22,Tb31,Tb32 電界効果トランジス
タ SA1,SA2,SA3 センスアンプ BL1,BL2,BL3 ビット線 WL1,WL2,WL3 ワード線 WWL1,WWL2,WWL3 書き込み線
10 magnetoresistive effect element 11 memory magnetic layer 12 insulating layer 13 pin magnetic layer 21 write drive circuit 31 read drive circuit 41 p-type silicon substrate 43 embedded element isolation region 420 n-type diffusion region 421 n-type diffusion region 422 SiO 2 gate insulation Film 423 Polysilicon gate electrode 44 Magnetoresistive element 45 TiN local wiring 46 Bit line 47 Write line 71 Memory magnetic layer 72 Tunnel insulating layer 73 Pin magnetic layer 731 GdFeCo layer 732 TbFeCo layer r11, r12, r13, r21, r22, r23 , R
31, r32, r33 magnetoresistive effect elements t11, t12, t13, t21, t22, t23, t
31, t32, t33, Tw11, Tw12, Tw1
3, Tw14, Tw21, Tw22, Tw23, Tw2
4, Tw31, Tw32, Tw33, Tw34, Ts
1, Ts2, Ts3, Tb11, Tb12, Tb21,
Tb22, Tb31, Tb32 Field effect transistors SA1, SA2, SA3 Sense amplifiers BL1, BL2, BL3 Bit lines WL1, WL2, WL3 Word lines WWL1, WWL2, WWL3 Write lines

───────────────────────────────────────────────────── 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) G11C 11/15 H01F 10/32 H01F 10/32 H01L 43/10 H01L 27/105 27/10 447 43/10 G01R 33/06 R Fターム(参考) 2G017 AD55 AD65 BA00 5E049 AA01 AA04 AA09 AC05 BA16 CB02 DB11 5F083 FZ10 GA09 GA30 JA32 JA36 JA39 JA60 LA03 LA12 LA16 PR22 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) G11C 11/15 H01F 10/32 H01F 10/32 H01L 43/10 H01L 27/105 27/10 447 43/10 G01R 33/06 RF terms (reference) 2G017 AD55 AD65 BA00 5E049 AA01 AA04 AA09 AC05 BA16 CB02 DB11 5F083 FZ10 GA09 GA30 JA32 JA36 JA39 JA60 LA03 LA12 LA16 PR22

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 GdFeまたはGdFeCo合金からな
り、磁化方向により情報を記憶するメモリ磁性層と、 TbFeまたはTbFeCo合金からなり、前記メモリ
磁性層より保磁力が大きく、前記メモリ磁性層の磁化方
向を変化させても、磁化方向が変化しないピン磁性層
と、 前記メモリ磁性層と前記ピン磁性層とで挟まれた非磁性
絶縁層とを有する磁気抵抗効果素子。
1. A memory magnetic layer made of a GdFe or GdFeCo alloy, which stores information depending on the magnetization direction, and a TbFe or TbFeCo alloy, having a coercive force larger than that of the memory magnetic layer and changing the magnetization direction of the memory magnetic layer. A magnetoresistive effect element having a pinned magnetic layer whose magnetization direction does not change even if it is made to exist, and a non-magnetic insulating layer sandwiched between the memory magnetic layer and the pinned magnetic layer.
【請求項2】 前記メモリ磁性層の厚さが2〜100n
mであ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 memory magnetic layer has a thickness of 2 to 100 n.
The magnetoresistive effect element according to claim 1, wherein the magnetoresistive effect element is m.
【請求項3】 前記ピン磁性層の厚さが2〜100nm
であることを特徴とする、請求項1または2記載の磁気
抵抗効果素子。
3. The thickness of the pin magnetic layer is 2 to 100 nm.
The magnetoresistive effect element according to claim 1 or 2, wherein
【請求項4】 GdFeまたはGdFeCo合金からな
り、磁化方向により情報を記憶するメモリ磁性層と、 TbFeまたはTbFeCo合金とGdFeまたはGd
FeCo合金とからなる積層膜であり、前記メモリ磁性
層より保磁力が大きく、前記メモリ磁性層の磁化方向を
変化させても、磁化方向が変化しないピン磁性層と、 前記メモリ磁性層と前記ピン磁性層とで挟まれた非磁性
絶縁層とを有する磁気抵抗効果素子。
4. A memory magnetic layer made of a GdFe or GdFeCo alloy, which stores information by a magnetization direction, a TbFe or TbFeCo alloy, and a GdFe or Gd.
A pinned magnetic layer having a coercive force larger than that of the memory magnetic layer, the magnetization direction of which does not change even when the magnetization direction of the memory magnetic layer is changed; and the memory magnetic layer and the pin. A magnetoresistive effect element having a magnetic layer and a non-magnetic insulating layer sandwiched therebetween.
【請求項5】 前記ピン磁性層を構成するGdFeまた
はGdFeCo合金と、TbFeまたはTbFeCo合
金とは、それらの間に備えられた非磁性層を介して磁気
的に結合している、請求項4記載の磁気抵抗効果素子。
5. The GdFe or GdFeCo alloy constituting the pinned magnetic layer and the TbFe or TbFeCo alloy are magnetically coupled via a non-magnetic layer provided therebetween. Magnetoresistive effect element.
【請求項6】 前記メモリ磁性層、前記ピン磁性層の少
なくとも一方がアモルファス膜である、請求項1〜5の
いずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子。
6. The magnetoresistive effect element according to claim 1, wherein at least one of the memory magnetic layer and the pin magnetic layer is an amorphous film.
【請求項7】 請求項1〜6のいずれか1項に記載され
た磁気抵抗効果素子を複数有し、それぞれの前記磁気抵
抗効果素子と、それぞれの該磁気抵抗効果素子に接続さ
れた電界効果トランジスタまたはダイオードとで1ビッ
トのメモリセルを構成している強磁性体メモリ。
7. A plurality of magnetoresistive effect elements according to any one of claims 1 to 6, each magnetoresistive effect element, and an electric field effect connected to each magnetoresistive effect element. A ferromagnetic memory in which a 1-bit memory cell is composed of a transistor or a diode.
【請求項8】 請求項6の強磁性体メモリを内蔵メモリ
として搭載している情報機器。
8. An information device equipped with the ferromagnetic memory according to claim 6 as a built-in memory.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US8634238B2 (en) 2011-10-21 2014-01-21 Kabushiki Kaisha Toshiba Magnetic memory element having an adjustment layer for reducing a leakage magnetic field from a reference layer and magnetic memory thereof

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