JP2003168833A - Magnetoresistive effect element and its producing system, and magnetic memory - Google Patents

Magnetoresistive effect element and its producing system, and magnetic memory

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JP2003168833A JP2001366345A JP2001366345A JP2003168833A JP 2003168833 A JP2003168833 A JP 2003168833A JP 2001366345 A JP2001366345 A JP 2001366345A JP 2001366345 A JP2001366345 A JP 2001366345A JP 2003168833 A JP2003168833 A JP 2003168833A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a magnetoresistive effect memory element in which good characteristics can be attained even in a multilayer film structure. <P>SOLUTION: In the magnetoresistive effect memory element of multilayer film structure comprising two ferromagnetic layers 24 and 26 and a nonmagnetic layer sandwiched between, at least one of the ferromagnetic layers 24 and 26 is composed of an aggregate of crystal grains 31 and grain boundaries 32. The grain boundary 32 is imparted with properties bonding to a diffusion substance, so that the diffusion substance bonds to the grain boundary 32 preferentially even if the diffusion substance is diffused from layers adjacent to the ferromagnetic layers 24 and 26. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

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、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
びその製造装置、並びに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。
The present invention relates to a so-called MR (Ma
The present invention relates to a magnetoresistive effect element that produces a gnetoResistive effect, a manufacturing apparatus thereof, and a magnetic memory device configured as a memory device for storing information by using the magnetoresistive effect element.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、情報通信機器、特に携帯端末装置
等の個人用小型機器の飛躍的な普及に伴い、これを構成
するメモリやロジックといったデバイスには、高集積
化、高速化、低電力化等、より一層の高性能化が要請さ
れている。特に、不揮発性メモリの高密度・大容量化
は、可動部分(例えばヘッドシーク機構やディスク回転
機構)の存在により本質的に小型化が困難なハードディ
スク装置や光ディスク装置を置き換える相補的な技術と
して、益々重要になりつつある。
2. Description of the Related Art In recent years, with the rapid spread of information communication devices, especially small personal devices such as portable terminal devices, devices such as memory and logic are highly integrated, have high speed, and have low power consumption. There is a demand for even higher performance, such as higher performance. In particular, increasing the density and capacity of non-volatile memory is a complementary technology that replaces hard disk devices and optical disk devices, which are inherently difficult to miniaturize due to the presence of moving parts (such as head seek mechanism and disk rotation mechanism). It is becoming more and more important.

【0003】不揮発性メモリとしては、半導体を用いた
フラッシュメモリや、強誘電体を用いたFeRAM(Fe
rro electric Random Access Memory)等が広く知られ
ている。ところが、フラッシュメモリは、情報の書き込
み速度がμ秒のオーダーであり、DRAM(Dynamic Ra
ndom Access Memory)やSRAM(Static Random Acce
ss Memory)等の揮発性メモリに比べて遅いという欠点
がある。また、FeRAMにおいては、書き換え可能回
数が少ないという問題が指摘されている。そこで、これ
らの欠点を有さない不揮発性メモリとして注目されてい
るのが、MRAM(Magnetic Random Access Memory)
と呼ばれる磁気メモリ装置である。MRAMは、巨大磁
気抵抗効果(Giant Magnetoresistive;GMR)型また
はトンネル磁気抵抗効果(Tunnel Magnetoresistive;
TMR)型の記憶素子を用いて情報記録を行うもので、
特に近年のTMR材料の特性向上により注目を集めるよ
うになってきている(例えば、「Naji et al.ISSCC200
1」)。
The nonvolatile memory includes a flash memory using a semiconductor and a FeRAM (FeRAM using a ferroelectric substance).
rro electric Random Access Memory) etc. are widely known. However, the flash memory has an information writing speed of the order of microseconds, and the DRAM (Dynamic Ra
ndom Access Memory) and SRAM (Static Random Acce
It has the drawback of being slower than volatile memory such as ss Memory). It has been pointed out that the FeRAM has a small number of rewritable times. Therefore, MRAM (Magnetic Random Access Memory) is attracting attention as a non-volatile memory that does not have these drawbacks.
Called a magnetic memory device. MRAM is a giant magnetoresistive effect (Giant Magnetoresistive; GMR) type or a tunnel magnetoresistive effect (Tunnel Magnetoresistive;
Information is recorded using a TMR type memory element.
In particular, the improvement of the properties of TMR materials in recent years has attracted attention (for example, “Naji et al. ISSCC200
1 ").

【0004】ここで、MRAMの動作原理について簡単
に説明する。MRAMは、マトリクス状に配列された磁
気抵抗効果型の記憶素子(セル)を有するとともに、特
定の記憶素子への情報記録のためにこれら素子群を縦横
に横切る導線(ワード線)および読出し用線(ビット
線)を有しており、その交差領域に位置する素子のみに
選択的に情報の書き込みを行うように構成されている。
つまり、記憶素子への書き込みは、ワード線およびビッ
ト線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、各記憶素子における磁性体の磁化方向を
制御することにより行う。一般的には、磁化の向きに応
じて、「0」または「1」のいずれかの情報を記憶させ
る。一方、記憶素子からの情報の読み出しは、トランジ
スタ等の素子を用いて記憶素子の選択を行い、磁気抵抗
効果を通じてその記憶素子における磁性体の磁化方向を
電圧信号として取り出すことによって行う。記憶素子の
膜構成としては、強磁性体/非磁性体/強磁性体からな
る三層構造、すなわち強磁性トンネル接合(Magnetic T
unnel Junction;MTJ)と呼ばれる構造が提案されて
いる。したがって、片方の強磁性体の磁化の向きを固定
参照層(ピンド層)、他方を記憶層(フリー層)として
用いることによって、トンネル磁気抵抗効果を通じて記
憶層における磁化方向が電圧信号と対応するようになる
ので、上述したような電圧信号としての取り出しが実現
可能となるのである。
Here, the operating principle of the MRAM will be briefly described. The MRAM has magnetoresistive effect type storage elements (cells) arranged in a matrix, and has a conductor line (word line) and a read line which traverses these element groups vertically and horizontally for recording information in a specific storage element. It has a (bit line), and is configured to selectively write information only to the element located in the intersection region.
In other words, writing to the memory element is performed by controlling the magnetization direction of the magnetic substance in each memory element by using the combined current magnetic field generated by applying the current to both the word line and the bit line. In general, either "0" or "1" information is stored according to the magnetization direction. On the other hand, reading of information from a storage element is performed by selecting the storage element using an element such as a transistor and extracting the magnetization direction of the magnetic substance in the storage element as a voltage signal through the magnetoresistive effect. The film structure of the memory element is a three-layer structure of ferromagnetic material / non-magnetic material / ferromagnetic material, that is, a ferromagnetic tunnel junction (Magnetic T
A structure called unnel junction (MTJ) has been proposed. Therefore, by using the magnetization direction of one of the ferromagnets as the fixed reference layer (pinned layer) and the other as the storage layer (free layer), the magnetization direction in the storage layer corresponds to the voltage signal through the tunnel magnetoresistive effect. Therefore, extraction as a voltage signal as described above can be realized.

【0005】続いて、書き込み時における記憶素子の選
択について、さらに詳しく説明する。一般に、強磁性体
の容易軸方向に磁化方向と反対向きの磁界を印加する
と、ある臨界値±Hsw(以下「反転磁界」という)に
おいて、磁化方向が印加された磁界の方向に反転するこ
とが知られている。この反転磁界の値は、理論的にはエ
ネルギ最小条件から求めることができる。さらに、磁化
容易軸だけでなく磁化困難軸方向にも磁界を印加した場
合には、この反転磁界の絶対値が減少することが知られ
ている。これも、やはりエネルギ最小条件から求めるこ
とができる。すなわち、磁化困難軸方向に印加した磁界
をHxとすると、このときの反転磁界Hyとの間には、
Hx(2/3)+Hy(2/3)=Hc(2/3)という関係が成立す
る。Hcは記憶層の異方性磁界である。この曲線は、図
8に示すように、Hx−Hy平面上でアステロイド(星
芒)を形成するため、アステロイド曲線と呼ばれる。
Next, the selection of the storage element at the time of writing will be described in more detail. In general, when a magnetic field in the direction of the easy axis of a ferromagnetic material is applied in the direction opposite to the magnetization direction, the magnetization direction may be reversed to the direction of the applied magnetic field at a certain critical value ± Hsw (hereinafter referred to as “reversal magnetic field”). Are known. The value of this reversal magnetic field can theoretically be obtained from the minimum energy condition. Furthermore, it is known that when a magnetic field is applied not only to the easy axis of magnetization but also to the hard axis of magnetization, the absolute value of this reversal magnetic field decreases. This can also be obtained from the minimum energy condition. That is, assuming that the magnetic field applied in the direction of the hard axis is Hx, the reversal magnetic field Hy at this time is:
The relationship of Hx (2/3) + Hy (2/3) = Hc (2/3) is established. Hc is the anisotropic magnetic field of the storage layer. This curve is called an asteroid curve because it forms an asteroid (star) on the Hx-Hy plane as shown in FIG.

【0006】記憶素子の選択は、このアステロイドを用
いて説明するのが簡単である。一般に、ワード線からの
発生磁界が磁化容易軸方向と略一致している構成のMR
AMにおいては、ワード線からの発生磁界により磁化を
反転させて情報の記録を行う。ところが、そのワード線
から等距離に位置する記憶素子は複数個あるため、ワー
ド線に反転磁界以上の磁界を発生させる電流を流すと、
これら等距離に位置する記憶素子の全てについて同様に
記録をしてしまうことになる。ただし、このとき、選択
したい記憶素子を横切るビット線に電流を流し、磁化困
難軸方向の磁界を発生させると、その選択したい記憶素
子における反転磁界が下がる。したがって、このときの
反転磁界をHc(h)とし、ビット線磁界が「0」の場
合の反転磁界をHc(0)とすると、ワード線磁界Hを
Hc(h)<H<Hc(0)となるように設定すれば、
その選択したい記憶素子のみに対して選択的に情報記録
を行うことができるようになる。これがMRAMにおけ
る情報記録時の記憶素子選択の手法である。
The selection of the memory element is easy to explain using this asteroid. Generally, an MR having a configuration in which the magnetic field generated from the word line is substantially aligned with the easy axis direction of magnetization.
In AM, information is recorded by reversing the magnetization by the magnetic field generated from the word line. However, since there are a plurality of storage elements located equidistant from the word line, when a current that causes a magnetic field not less than the reversal magnetic field is applied to the word line,
The same recording will be performed for all the storage elements located at the same distance. However, at this time, when a current is passed through the bit line that crosses the storage element to be selected to generate a magnetic field in the hard axis direction, the reversal magnetic field in the storage element to be selected is lowered. Therefore, assuming that the reversal magnetic field at this time is Hc (h) and the reversal magnetic field when the bit line magnetic field is “0” is Hc (0), the word line magnetic field H is Hc (h) <H <Hc (0). If set so that
It becomes possible to selectively record information only on the storage element desired to be selected. This is a method of selecting a storage element when recording information in the MRAM.

【0007】このような構成のMRAMは、不揮発性で
あり、非破壊読み出しおよびランダムアクセスが可能で
あるという点の他に、以下に述べるような特徴を有す
る。すなわち、構造が単純であるため高集積化が容易で
あり、また磁気抵抗効果型記憶素子における磁気モーメ
ントの回転により情報記録を行うために書き換え可能回
数が大である(例えば、1016回以上)。さらには、ア
クセス時間についても非常に高速であることが予想さ
れ、既にナノ秒台で動作可能であることが確認されてい
る(例えば、5ns以下)。また、MOS(Metal Oxid
e Semiconductor)作製後に配線工程のみで形成される
ため、プロセス整合性がよい。特に、書き換え可能回
数、ランダムアクセス、高速動作の3点においてフラッ
シュメモリよりも優れ、またプロセス整合性の点でFe
RAMに勝る。さらには、DRAM並みの高集積度とS
RAM並みの高速性を両立できると期待されるため、メ
モリ装置の主流となり得る可能性を秘めている。
The MRAM having such a structure is non-volatile, and has the following characteristics in addition to the fact that non-destructive reading and random access are possible. That is, since the structure is simple, high integration is easy, and the number of rewritable times is large because information is recorded by rotation of the magnetic moment in the magnetoresistive storage element (for example, 10 16 times or more). . Furthermore, the access time is expected to be very fast, and it has already been confirmed that it can operate in the nanosecond range (for example, 5 ns or less). In addition, MOS (Metal Oxid
e Semiconductor) is formed only in the wiring process after fabrication, so process compatibility is good. In particular, it is superior to flash memory in terms of the number of rewritable times, random access, and high-speed operation, and Fe in terms of process consistency.
Outperforms RAM. Furthermore, it has a high degree of integration similar to DRAM and S
Since it is expected that the high speed of RAM can be achieved at the same time, it has the potential of becoming a mainstream memory device.

【0008】その一方で、MRAMについては、幾つか
の技術的課題も指摘されている。具体的には、低消費電
力化やS/N比増加等が強く望まれている。これに対
し、例えば低消費電力化については主に記憶層の磁気特
性の改善によって、またS/N比増加についてはMR効
果(MTJの場合にはトンネルMR効果)の増大によっ
て、それぞれ解決することが可能であると考えられてい
る。これらのことから、MRAMの記憶層を構成する材
料が有するべき特性は、反転磁界を低く抑えることがで
き、かつ、高いMR効果を発生できるものでなければな
らない。このような材料としては、各種組成のCo(コ
バルト)−Fe(鉄)二元合金、Ni(ニッケル)−F
e二元合金、Co−Ni−Fe三元合金等が提案されて
いる。
On the other hand, some technical problems have been pointed out for the MRAM. Specifically, it is strongly desired to reduce power consumption and increase the S / N ratio. On the other hand, for example, the reduction of power consumption is solved mainly by improving the magnetic characteristics of the storage layer, and the increase of the S / N ratio is solved by increasing the MR effect (tunnel MR effect in the case of MTJ). Are believed to be possible. From these facts, the characteristics that the material forming the memory layer of the MRAM should have must be such that the switching field can be suppressed low and a high MR effect can be generated. As such materials, various compositions of Co (cobalt) -Fe (iron) binary alloy, Ni (nickel) -F
e binary alloys, Co-Ni-Fe ternary alloys, etc. have been proposed.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、現実的
には、記憶層が材料単膜(磁気抵抗効果素子としての多
層膜構造を有しない単層膜)の状態における特性のみ
で、MRAMについての技術的課題の解決を図ろうとす
るのは容易ではない。これは、材料単膜の状態での記憶
層が良好な特性を示しても、磁気抵抗効果素子を構成す
るために他の層と共に積層された場合には、その多層膜
構造中の記憶層が必ずしも良好な特性を示すとは限らな
いからである。
However, in reality, only the characteristics in the state where the memory layer is a material single film (a single layer film having no multilayer film structure as a magnetoresistive effect element) is a technique for MRAM. It is not easy to try to solve specific problems. This means that even if the storage layer in the state of a single film of material shows good characteristics, when it is laminated together with other layers to form a magnetoresistive effect element, the storage layer in the multilayer film structure is This is because it does not always show good characteristics.

【0010】具体的には、例えばMTJ構造を考える
と、強磁性体に挟まれる非磁性体が酸化物バリア層から
なる場合に、その酸化物バリア層からの酸素の拡散が記
憶層に及ぶ可能性があり、これにより記憶層の磁気特性
に変化が生じるおそれがある。また、金属非磁性層を用
いた磁気抵抗効果素子においても、非磁性層材料の拡散
はあり得る。さらには、酸化物バリア層や金属非磁性層
等といった強磁性体に挟まれる非磁性体層のみならず、
これとは反対側にて記憶層に隣接する層(例えば保護
層)からの拡散によっても、その記憶層の磁気特性に変
化が生じ得る。つまり、多層膜構造中においては、隣接
層からの拡散物質により、記憶層に特性変化が生じてし
まうおそれがある。
Specifically, considering the MTJ structure, for example, when the non-magnetic material sandwiched by the ferromagnetic materials is composed of an oxide barrier layer, diffusion of oxygen from the oxide barrier layer can reach the storage layer. There is a possibility that the magnetic characteristics of the storage layer may be changed. Further, in the magnetoresistive effect element using the metal nonmagnetic layer, the nonmagnetic layer material may diffuse. Furthermore, not only the non-magnetic material layer sandwiched between ferromagnetic materials such as an oxide barrier layer and a metal non-magnetic layer,
Diffusion from a layer (eg, a protective layer) on the opposite side of the storage layer adjacent to the storage layer may also change the magnetic characteristics of the storage layer. That is, in the multi-layered film structure, the characteristics of the memory layer may change due to the diffusion material from the adjacent layer.

【0011】また、成長温度等といった多層膜構造の製
造時における環境は、必ずしも記憶層の磁気特性を最適
化させるものとはいえない。例えば、反強磁性体を採用
した固定参照層を用いている場合には、その反強磁性体
が高温での規則化アニール等を要求していても、その熱
処理によって記憶層の磁気特性が劣化してはならない。
このことから、記憶層を構成する強磁性体材料は、様々
な製造環境に対して、何らかの手段によって柔軟にその
磁気特性を調整できるようなものであることが望まし
い。
Further, the environment at the time of manufacturing the multilayer film structure such as the growth temperature does not necessarily optimize the magnetic characteristics of the storage layer. For example, when a fixed reference layer that employs an antiferromagnetic material is used, even if the antiferromagnetic material requires ordered annealing at high temperature, the heat treatment deteriorates the magnetic characteristics of the storage layer. should not be done.
For this reason, it is desirable that the ferromagnetic material forming the storage layer be such that its magnetic characteristics can be flexibly adjusted by some means in various manufacturing environments.

【0012】そこで、本発明は、以上のような従来の実
情に鑑みて、多層膜構造中においても良好な特性が得ら
れて高性能化を実現する磁気抵抗効果素子およびその製
造装置並びに磁気メモリ装置を提供することを目的とす
る。
Therefore, in view of the above conventional circumstances, the present invention provides a magnetoresistive effect element having good characteristics even in a multi-layered structure and realizing high performance, a manufacturing apparatus therefor, and a magnetic memory. The purpose is to provide a device.

【0013】[0013]

【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もので、二つの強磁性体層とこ
れらの間に挟まれる非磁性体層とを含む多層膜構造の磁
気抵抗効果素子において、前記強磁性体層のうちの少な
くとも一方は、結晶粒および結晶粒界の集合体からなる
ものであり、前記結晶粒界は、当該結晶粒界の属する強
磁性体層の隣接層からの拡散物質との結合性を有したも
のであることを特徴とする。
The present invention has been devised to achieve the above object, and has a multilayer film structure including two ferromagnetic layers and a non-magnetic layer sandwiched therebetween. In the magnetoresistive effect element, at least one of the ferromagnetic layers is composed of an aggregate of crystal grains and crystal grain boundaries, and the crystal grain boundaries are ferromagnetic layer to which the crystal grain boundaries belong. It has a binding property with a diffusion material from the adjacent layer of.

【0014】上記構成の磁気抵抗効果素子によれば、強
磁性体層が結晶粒および結晶粒界の集合体からなるのに
加えて、その結晶粒界が拡散物質との結合性を有してい
るので、隣接層(例えば非磁性体層またはこれと反対側
で隣接する層)からの拡散物質の拡散が結晶粒界の部分
で優先的に進み、それ以外の結晶粒の部分では本来の磁
気特性が保持されたままとなる。また、結晶粒および結
晶粒界の集合体からなる強磁性体層が示す磁気特性は、
各種熱処理温度のみならず、その組成や粒径にも依存す
る。したがって、磁気抵抗効果素子の製造時における温
度等の環境が予め規定されている場合であっても、強磁
性体層の組成や粒径等を制御することにより、その強磁
性体層の磁気特性を調整することが可能となる。
According to the magnetoresistive effect element having the above-mentioned structure, in addition to the ferromagnetic layer being composed of an aggregate of crystal grains and crystal grain boundaries, the crystal grain boundaries have a binding property with the diffusing substance. Therefore, the diffusion of the diffusion material from the adjacent layer (for example, the non-magnetic layer or the layer adjacent to the non-magnetic layer on the opposite side) preferentially progresses at the grain boundary portion, and at the other crystal grain portion, the original magnetic The property remains retained. In addition, the magnetic characteristics of the ferromagnetic material layer composed of aggregates of crystal grains and crystal grain boundaries are:
It depends not only on various heat treatment temperatures but also on its composition and particle size. Therefore, even when the environment such as the temperature at the time of manufacturing the magnetoresistive effect element is specified in advance, the magnetic characteristics of the ferromagnetic layer can be controlled by controlling the composition and particle size of the ferromagnetic layer. Can be adjusted.

【0015】また、本発明の製造装置は、二つの強磁性
体層とこれらの間に挟まれる非磁性体層とを含む多層膜
構造の磁気抵抗効果素子を製造するための製造装置であ
って、前記強磁性体層を成膜する成膜手段を備えるとと
もに、前記成膜手段は、前記強磁性体層のうちの少なく
とも一方を、コバルト、鉄およびニッケルのうちの少な
くとも一つを含む磁性材料に一つ以上の異種元素を添加
して成膜し、当該少なくとも一方の強磁性体層が結晶粒
および結晶粒界の集合体からなり、かつ、前記結晶粒界
が前記異種元素によって形成されるようにするものであ
ることを特徴とする。
The manufacturing apparatus of the present invention is a manufacturing apparatus for manufacturing a magnetoresistive effect element having a multilayer film structure including two ferromagnetic layers and a non-magnetic layer sandwiched therebetween. And a magnetic material including at least one of the ferromagnetic layers, the magnetic material including at least one of cobalt, iron, and nickel. Is formed by adding one or more different kinds of elements to each other, the at least one ferromagnetic layer is composed of an aggregate of crystal grains and crystal grain boundaries, and the crystal grain boundaries are formed by the different elements. It is characterized in that

【0016】上記構成の磁気抵抗効果素子の製造装置に
よれば、強磁性体層が結晶粒および結晶粒界の集合体か
らなり、かつ、その結晶粒界が磁性材料とは異種の元素
によって形成されるようにするため、これにより製造さ
れた磁気抵抗効果素子は、その異種元素の種類によって
は、強磁性体層の隣接層からの拡散物質の拡散が結晶粒
界の部分で優先的に進み、それ以外の結晶粒の部分では
本来の磁気特性が保持されたままとなり得る。また、磁
気抵抗効果素子の製造時における温度等の環境が予め規
定されている場合であっても、強磁性体層の組成や粒径
等を制御することにより、その強磁性体層の磁気特性を
調整することも可能となる。
According to the apparatus for manufacturing a magnetoresistive effect element having the above-mentioned structure, the ferromagnetic layer is composed of an aggregate of crystal grains and crystal grain boundaries, and the crystal grain boundaries are formed by an element different from the magnetic material. Therefore, in the magnetoresistive effect element thus manufactured, the diffusion of the diffusion material from the layer adjacent to the ferromagnetic layer preferentially proceeds at the grain boundary depending on the kind of the different element. However, the original magnetic characteristics may be maintained in the other crystal grain portions. Even if the environment such as the temperature at the time of manufacturing the magnetoresistive effect element is specified in advance, the magnetic properties of the ferromagnetic layer can be controlled by controlling the composition and particle size of the ferromagnetic layer. It is also possible to adjust.

【0017】また、本発明は、上記目的を達成するため
に案出されたもので、二つの強磁性体層とこれらの間に
挟まれる非磁性体層とを含む多層膜構造の磁気抵抗効果
素子を具備し、前記強磁性体層の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た磁気メモリ装置に
おいて、前記強磁性体層のうちの少なくとも一方は、結
晶粒および結晶粒界の集合体からなるものであり、前記
結晶粒界は、当該結晶粒界の属する強磁性体層の隣接層
からの拡散物質との結合性を有したものであることを特
徴とする。
Further, the present invention has been devised to achieve the above object, and has a magnetoresistive effect of a multilayer film structure including two ferromagnetic layers and a nonmagnetic layer sandwiched therebetween. In a magnetic memory device comprising an element and configured to record information by utilizing a change in the magnetization direction of the ferromagnetic layer, at least one of the ferromagnetic layers has a crystal grain and a crystal grain. It is composed of an aggregate of boundaries, and the crystal grain boundary has a binding property with a diffusion substance from a layer adjacent to the ferromagnetic layer to which the crystal grain boundary belongs.

【0018】上記構成の磁気メモリ装置によれば、情報
記録を行うための磁気抵抗効果素子における強磁性体層
が結晶粒および結晶粒界の集合体からなるのに加えて、
その結晶粒界が拡散物質との結合性を有している。その
ため、結晶粒界の部分で隣接層からの拡散物質の拡散が
優先的に進むことから、磁気抵抗効果素子が多層膜構造
であっても、強磁性体層における特性変化を抑制し得
る。また、磁気抵抗効果素子の製造時における温度等の
環境が予め規定されている場合であっても、強磁性体層
の組成や粒径等を制御することにより、その強磁性体層
の磁気特性を調整することが可能となる。したがって、
磁気抵抗効果素子について良好な特性を得られるので、
その磁気抵抗効果素子に対して情報記録を行う際の低消
費電力化やS/N比増加等を実現し得るようになる。
According to the magnetic memory device having the above structure, in addition to the fact that the ferromagnetic material layer in the magnetoresistive element for recording information is composed of aggregates of crystal grains and crystal grain boundaries,
The crystal grain boundaries have a binding property with the diffusing substance. Therefore, the diffusion of the diffusing material from the adjacent layer preferentially progresses at the crystal grain boundaries, so that even when the magnetoresistive effect element has a multilayer film structure, the characteristic change in the ferromagnetic layer can be suppressed. Even if the environment such as the temperature at the time of manufacturing the magnetoresistive effect element is specified in advance, the magnetic properties of the ferromagnetic layer can be controlled by controlling the composition and particle size of the ferromagnetic layer. Can be adjusted. Therefore,
Since good characteristics can be obtained for the magnetoresistive effect element,
It becomes possible to realize low power consumption and increase of S / N ratio when information is recorded on the magnetoresistive effect element.

【0019】[0019]

【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その製造装置並びに磁気メモリ
装置について説明する。ここでは、磁気抵抗効果素子と
してTMR型スピンバルブ素子(以下、単に「TMR素
子」という)を、また磁気メモリ装置としてTMR素子
を具備したMRAMを、それぞれ例に挙げて説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A magnetoresistive effect element, a manufacturing apparatus therefor, and a magnetic memory device according to the present invention will be described below with reference to the drawings. Here, a TMR type spin valve element (hereinafter simply referred to as “TMR element”) as a magnetoresistive effect element and an MRAM having a TMR element as a magnetic memory device will be described as examples.

【0020】〔磁気メモリ装置の概要〕先ず、はじめ
に、本発明に係る磁気メモリ装置全体の概略構成につい
て説明する。図1は、MRAMの基本的な構成例を示す
模式図である。MRAMは、マトリクス状に配された複
数のTMR素子1を備えている。さらに、これらのTM
R素子1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線2およびビット線3が、
各TMR素子1群を縦横に横切るように設けられてい
る。そして、各TMR素子1は、ワード線2とビット線
3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、ワード線2およびビット線3は、Al(アルミニウ
ム)、Cu(銅)またはこれらの合金等の導電性物質
を、化学的または物理的に堆積した後に選択的にエッチ
ングする、といった周知の手法を用いて形成されるもの
とする。
[Outline of Magnetic Memory Device] First, a schematic configuration of the entire magnetic memory device according to the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic diagram showing a basic configuration example of an MRAM. The MRAM includes a plurality of TMR elements 1 arranged in a matrix. In addition, these TM
A word line 2 and a bit line 3 intersecting each other are provided so as to correspond to the rows and columns in which the R elements 1 are arranged, respectively.
It is provided so as to traverse each group of TMR elements vertically and horizontally. Each TMR element 1 is arranged so as to be sandwiched between the word line 2 and the bit line 3 from above and below and to be located in the intersection region of these. Note that the word line 2 and the bit line 3 are well-known methods in which a conductive substance such as Al (aluminum), Cu (copper), or an alloy thereof is chemically or physically deposited and then selectively etched. Shall be formed using.

【0021】図2は、MRAMを構成する単一のTMR
素子部分の断面構成の一例を示す模式図である。それぞ
れのTMR素子部分では、半導体基板4上に、ゲート電
極5、ソース領域6およびドレイン領域7からなる電界
効果トランジスタが配設され、さらにその上方に、ワー
ド線2、TMR素子1およびビット線3が順に配設され
ている。このことからも明らかなように、TMR素子1
は、ワード線2とビット線3との交差点において、これ
らワード線2およびビット線3に上下から挟まれるよう
に配されている。なお、TMR素子1は、バイパス線8
を介して電界効果トランジスタと接続している。
FIG. 2 shows a single TMR constituting the MRAM.
It is a schematic diagram which shows an example of the cross-sectional structure of an element part. In each of the TMR element portions, a field effect transistor including a gate electrode 5, a source region 6 and a drain region 7 is arranged on a semiconductor substrate 4, and a word line 2, a TMR element 1 and a bit line 3 are provided above the field effect transistor. Are arranged in order. As is clear from this, the TMR element 1
Are arranged so as to be sandwiched by the word line 2 and the bit line 3 from above and below at the intersection of the word line 2 and the bit line 3. The TMR element 1 has a bypass line 8
Is connected to the field effect transistor via.

【0022】このような構成により、MRAMでは、T
MR素子1の記憶層に対して、ワード線2およびビット
線3の両方に電流を流すことによって合成電流磁界を発
生させ、その合成電流磁界を用いて記憶層の磁化方向を
変化させることにより、情報の書き込みを行う。また、
TMR素子1からの情報の読み出しは、電界効果トラン
ジスタを用いてTMR素子1の選択を行い、そのTMR
素子1における情報記憶層の磁化方向を電圧信号として
取り出すことによって行う。
With this configuration, the MRAM has a T
With respect to the storage layer of the MR element 1, a current is applied to both the word line 2 and the bit line 3 to generate a combined current magnetic field, and the combined current magnetic field is used to change the magnetization direction of the storage layer. Write information. Also,
To read information from the TMR element 1, the TMR element 1 is selected using a field effect transistor, and the TMR element 1 is selected.
This is performed by extracting the magnetization direction of the information storage layer in the element 1 as a voltage signal.

【0023】〔磁気抵抗効果素子の構成〕続いて、この
ようなMRAMに用いられるTMR素子1自体の構成に
ついて説明する。TMR素子1は、MTJ構造の膜構成
を有する。図3は、MTJ構造の基本的な構成例を示す
模式図である。MTJ構造は、強磁性体/絶縁体/強磁
性体からなる三層構造からなり、片方の強磁性体層の磁
化の向きを固定参照層(ピンド層)11、他方を記憶層
(フリー層)12として用いる。そして、ワード線2お
よびビット線3が発生する合成電流磁界によって、その
記憶層12の磁化方向を変化させることで、情報の書き
込み(記録)を行うとともに、トンネルMR効果を通じ
てその記憶層12における磁化方向と電圧信号を対応さ
せている。これら二つの強磁性体層、すなわち固定参照
層11および記憶層12の間に挟まれた絶縁体層は、例
えばAl(アルミニウム)の酸化物からなり、トンネル
障壁層13としての機能を有する。なお、下地層14や
保護層15といった、その他の層は、一般には磁性を持
たない材料からなる。
[Structure of Magnetoresistive Effect Element] Next, the structure of the TMR element 1 itself used in such an MRAM will be described. The TMR element 1 has a film structure of MTJ structure. FIG. 3 is a schematic diagram showing a basic configuration example of the MTJ structure. The MTJ structure has a three-layer structure of ferromagnetic material / insulator / ferromagnetic material, and the magnetization direction of one ferromagnetic material layer is a fixed reference layer (pinned layer) 11 and the other is a storage layer (free layer). Used as 12. Information is written (recorded) by changing the magnetization direction of the storage layer 12 by the combined current magnetic field generated by the word line 2 and the bit line 3, and the magnetization of the storage layer 12 is tunneled through the tunnel MR effect. Correspondence between direction and voltage signal. The two ferromagnetic layers, that is, the insulating layer sandwiched between the fixed reference layer 11 and the storage layer 12 is made of, for example, an oxide of Al (aluminum) and has a function as the tunnel barrier layer 13. The other layers such as the base layer 14 and the protective layer 15 are generally made of a material having no magnetism.

【0024】図4は、MTJ構造のTMR素子をさらに
具体的に説明するための模式図である。TMR素子1と
しては、例えば、被成膜物である基板(例えばバイパス
線)21上に、下地層14となるTa(タンタル)膜2
2と、反強磁性層となるPtMn(白金マンガン)膜2
3と、固定層となるCoFeB(コバルト鉄ホウ素)膜
24と、トンネル障壁層13となるAl−Ox(酸化ア
ルミニウム)膜25と、記憶層12となるCoFeB膜
26と、保護層15となるTa膜27とが、順に積層さ
れてなる多層膜構造のものがある。なお、このうち、P
tMn膜23とCoFeB膜24は、互いに積層されて
固定参照層11となるものである。
FIG. 4 is a schematic view for explaining the TMR element having the MTJ structure more specifically. As the TMR element 1, for example, a Ta (tantalum) film 2 to be a base layer 14 is formed on a substrate (for example, a bypass line) 21 which is a film formation target.
2 and a PtMn (platinum-manganese) film 2 serving as an antiferromagnetic layer
3, a CoFeB (cobalt-iron-boron) film 24 serving as the fixed layer, an Al—Ox (aluminum oxide) film 25 serving as the tunnel barrier layer 13, a CoFeB film 26 serving as the memory layer 12, and a Ta serving as the protective layer 15. There is a multilayer film structure in which the film 27 and the film 27 are sequentially stacked. Of these, P
The tMn film 23 and the CoFeB film 24 are laminated on each other to form the fixed reference layer 11.

【0025】ところで、ここで説明するTMR素子1
は、固定参照層11を構成するCoFeB膜24および
記憶層12であるCoFeB膜26の構造に大きな特徴
がある。図5は、膜構造の概要を示す模式図である。
By the way, the TMR element 1 described here
Is characterized by the structure of the CoFeB film 24 that constitutes the fixed reference layer 11 and the CoFeB film 26 that is the memory layer 12. FIG. 5 is a schematic diagram showing an outline of the film structure.

【0026】CoFeB膜24,26は、一般的な強磁
性体であるCoおよびFeといった磁性材料に、これら
の磁性材料とは異なる種類の元素であるB(ホウ素)を
添加してなるものであるが、これにより微細な結晶粒3
1および結晶粒界32の集合体からなる構造を有してい
る。なお、ここでいう微細とは、後述する理由から、結
晶粒31を球形状に近似した場合における平均粒径が2
〜100nm程度であることをいう。
The CoFeB films 24 and 26 are formed by adding B (boron), which is an element of a different type from these magnetic materials, to magnetic materials such as Co and Fe, which are general ferromagnetic materials. However, this results in fine crystal grains 3
1 and a crystal grain boundary 32 are aggregated. It should be noted that the term "fine" as used herein means that the average grain size when the crystal grains 31 are approximated to a spherical shape is 2 for the reason described later.
It is about 100 nm.

【0027】さらに詳しくは、CoFeB膜24,26
では、結晶粒31の組成と結晶粒界32の組成とが異な
っており、結晶粒界32にはBが析出している。つま
り、Bを添加することによって、そのBが主に結晶粒界
32を形成し、これにより微細な結晶粒31および結晶
粒界32の集合体からなる構造が構成されるのである。
この結晶粒界32を形成するBは、一般にCoやFe等
に比べてO(酸素)との結合性が高い。したがって、結
晶粒界32は、Oとの結合性を有したものであるという
ことができる。
More specifically, the CoFeB films 24 and 26
In, the composition of the crystal grain 31 is different from the composition of the crystal grain boundary 32, and B is precipitated in the crystal grain boundary 32. That is, by adding B, the B mainly forms the crystal grain boundaries 32, and thereby a structure composed of an aggregate of the fine crystal grains 31 and the crystal grain boundaries 32 is formed.
B forming the crystal grain boundary 32 generally has a higher bondability with O (oxygen) than Co, Fe, or the like. Therefore, it can be said that the crystal grain boundary 32 has a bondability with O.

【0028】また、CoFeB膜24,26では、Bが
主に結晶粒界32を形成することに伴い、微細な結晶粒
31を構成する材料(主にCoおよびFe)の示すスピ
ン分極率が、結晶粒界32を構成する材料(主にB)の
示すスピン分極率よりも高くなっている。一般に、電子
は自転運動(スピン)を持ち、非常に小さな磁石の単位
となる。固体中の電子の磁石(スピン)の向きは、通
常、上向きと下向きの二通りある。したがって、金属の
伝導バンドは上向きスピンを持つ電子のバンド(上向き
スピンバンド)と下向きスピンを持つ電子のバンド(下
向きスピンバンド)の2つに分けられる。強磁性体では
上向きスピンバンドと下向きスピンバンドの形が異なる
ため、フェルミレベルに存在する電子は、上向きスピン
を持つ電子と下向きスピンを持つ電子で数が異なる。こ
れら両電子の数の差をスピン分極率という。このスピン
分極率は、MR効果に大きな影響を及ぼし、トンネル接
合を形成する強磁性体のスピン分極率が大きいほど、ト
ンネルMR効果が大きくなることが知られている。
In the CoFeB films 24 and 26, the spin polarizability exhibited by the materials (mainly Co and Fe) forming the fine crystal grains 31 as B mainly forms the crystal grain boundaries 32, The spin polarizability is higher than that of the material (mainly B) forming the crystal grain boundary 32. In general, electrons have a rotation (spin) and become a unit of a very small magnet. The directions of the magnets (spins) of electrons in a solid are usually two directions, upward and downward. Therefore, the conduction band of metal is divided into two bands, an electron band having an upward spin (upward spin band) and an electron band having a downward spin (downward spin band). Since the shapes of the upward spin band and the downward spin band are different in a ferromagnet, the number of electrons existing at the Fermi level is different between the electrons having the upward spin and the electrons having the downward spin. The difference in the number of these two electrons is called spin polarizability. It is known that this spin polarizability has a great influence on the MR effect, and the tunnel MR effect increases as the spin polarizability of the ferromagnetic material forming the tunnel junction increases.

【0029】〔磁気抵抗効果素子の製造〕次に、以上の
ような構成のTMR素子1の製造手順およびこれに用い
る製造装置について説明する。TMR素子1の製造装置
としては、例えば背圧を超高真空領域にまで排気したマ
グネトロンスパッタ装置を用いる。そして、表面を熱酸
化したSi(ケイ素)基板21上に、Ta膜22、Pt
Mn膜23、CoFeB膜24、Al膜を順に積層す
る。その後、Al膜を純酸素中でプラズマ酸化させ、均
一なAl−Ox膜25を得る。このときのAlの厚さは
1nmとすることが考えられる。Al−Ox膜25を得
た後は、再び例えばマグネトロンスパッタ装置を用い
て、CoFeB膜26、Ta膜27を順に成膜する。最
後に、PtMn膜23の規則合金化のための熱処理を、
磁界中、例えば280℃で1時間行う。
[Manufacture of Magnetoresistive Effect Element] Next, a manufacturing procedure of the TMR element 1 having the above-described structure and a manufacturing apparatus used for the same will be described. As a manufacturing apparatus of the TMR element 1, for example, a magnetron sputtering apparatus whose back pressure is exhausted to an ultrahigh vacuum region is used. Then, the Ta film 22 and Pt are formed on the Si (silicon) substrate 21 whose surface is thermally oxidized.
The Mn film 23, the CoFeB film 24, and the Al film are sequentially stacked. After that, the Al film is plasma-oxidized in pure oxygen to obtain a uniform Al-Ox film 25. The thickness of Al at this time may be 1 nm. After the Al—Ox film 25 is obtained, the CoFeB film 26 and the Ta film 27 are sequentially formed again using, for example, a magnetron sputtering device. Finally, heat treatment for ordered alloying of the PtMn film 23 is performed.
It is carried out in a magnetic field, for example, at 280 ° C. for 1 hour.

【0030】このような製造手順において、CoFeB
膜24,26を成膜する際には、CoおよびFeといっ
た磁性材料に、これらの磁性材料とは異なる種類の元素
であるBを添加して、その成膜を行う。ただし、このと
き、CoxFe1−x(0.45<x<0.95)の割
合でCoおよびFeを含む磁性材料に対し、Bの添加割
合が15%以上となるように、ターゲットやスパッタレ
ート等が調整されているものとする。具体的には、Co
FeB膜24,26の設計組成を例えば(Co90Fe
10)80B20(原子%)とし、これに合わせてCo
FeB膜24,26の成膜を行うようにすることが考え
られる。これにより、CoFeB膜24,26は、微細
な結晶粒31および結晶粒界32の集合体からなり、か
つ、結晶粒界32が主にBによって形成されるようにな
る。このことは、成膜後のCoFeB膜26を透過型電
子顕微鏡(TEM)で観察することによっても確認され
ている。
In such a manufacturing procedure, CoFeB
When forming the films 24 and 26, B, which is an element of a different type from these magnetic materials, is added to magnetic materials such as Co and Fe, and the films are formed. However, at this time, the target, the sputter rate, etc. are set so that the addition ratio of B is 15% or more with respect to the magnetic material containing Co and Fe at a ratio of CoxFe1-x (0.45 <x <0.95). Have been adjusted. Specifically, Co
The design composition of the FeB films 24 and 26 is, for example, (Co90Fe
10) 80B20 (atomic%), and Co
It can be considered to form the FeB films 24 and 26. As a result, the CoFeB films 24 and 26 are composed of an aggregate of fine crystal grains 31 and crystal grain boundaries 32, and the crystal grain boundaries 32 are mainly formed of B. This is also confirmed by observing the CoFeB film 26 after film formation with a transmission electron microscope (TEM).

【0031】〔磁気抵抗効果素子の特性〕次に、以上の
ようにして製造されたTMR素子1の特性について説明
する。図6は、TMR効果の測定結果を示す説明図であ
る。図例のように、上述した構成のTMR素子1につい
て、TMR効果を測定したところ、室温、バイアス電圧
5mVで、55%という高い磁気抵抗変化率の値を示し
た。これに対して、例えばCo75Fe25(原子%)
のような従来のCoFe系のものでは、磁気抵抗変化率
は高々45%程度である。したがって、本実施形態にお
けるTMR素子1では、これを超える値が得られたこと
になる。
[Characteristics of Magnetoresistive Element] Next, characteristics of the TMR element 1 manufactured as described above will be described. FIG. 6 is an explanatory diagram showing the measurement results of the TMR effect. As shown in the figure, when the TMR effect of the TMR element 1 having the above-mentioned configuration was measured, it showed a high magnetoresistance change rate of 55% at room temperature and a bias voltage of 5 mV. On the other hand, for example, Co75Fe25 (atomic%)
In the conventional CoFe system as described above, the magnetoresistance change rate is about 45% at most. Therefore, in the TMR element 1 in the present embodiment, a value exceeding this is obtained.

【0032】このように、本実施形態のTMR素子1に
て高い磁気抵抗変化率が得られる理由については、以下
に述べるように考察される。図7は、高い磁気抵抗変化
率が得られる理由を説明するための概念図である。
The reason why a high magnetoresistive change rate is obtained in the TMR element 1 of this embodiment is considered as described below. FIG. 7 is a conceptual diagram for explaining the reason why a high magnetoresistance change rate is obtained.

【0033】一般に、TMR効果を実現する上で重要な
役割を果たすのは、トンネル障壁層13を挟む二つの強
磁性体層、すなわち固定参照層11および記憶層12で
あり、特にトンネル障壁層13との界面付近における各
強磁性体層11,12のスピン分極率が重要である。と
ころが、現実的には、図7(b)に示すように、この界
面を通じて、トンネル障壁層13であるAl−Ox膜2
5からO(酸素)の拡散が起こり、その界面付近におい
ては、強磁性体の酸化物の層33が形成されてしまう。
一般的には酸化により分極率は下がるため、従来におけ
るものについてのTMR効果は、この減少したスピン分
極率に基づいて生じたものである。
In general, it is the two ferromagnetic layers sandwiching the tunnel barrier layer 13, that is, the fixed reference layer 11 and the memory layer 12, that play an important role in realizing the TMR effect, and particularly the tunnel barrier layer 13. The spin polarizability of each of the ferromagnetic layers 11 and 12 near the interface with is important. However, in reality, as shown in FIG. 7B, the Al—Ox film 2 that is the tunnel barrier layer 13 passes through this interface.
O (oxygen) is diffused from 5 and a layer 33 of a ferromagnetic oxide is formed near the interface.
Since the polarizability is generally lowered by oxidation, the TMR effect of the conventional one is caused based on this reduced spin polarizability.

【0034】一方、本実施形態のTMR素子1では、固
定参照層11を構成するCoFeB膜24および記憶層
12であるCoFeB膜26のいずれもが、微細な結晶
粒31および結晶粒界32の集合体からなる構造を有し
ている。しかも、その結晶粒界32には、Oとの結合性
を有したBが析出している。したがって、図7(a)に
示すように、トンネル障壁層13であるAl−Ox膜2
5から拡散してくるOは、Bが析出した結晶粒界32と
優先的に結合して、結晶粒31を構成する材料よりも結
晶粒界32を構成する材料中に多く含まれることにな
る。すなわち、結晶粒界32が優先的に酸化され、結晶
粒31内への酸化は抑えられると考えられる。
On the other hand, in the TMR element 1 of the present embodiment, both the CoFeB film 24 that constitutes the fixed reference layer 11 and the CoFeB film 26 that is the memory layer 12 are aggregates of fine crystal grains 31 and crystal grain boundaries 32. It has a body structure. Moreover, B having a bondability with O is precipitated in the crystal grain boundary 32. Therefore, as shown in FIG. 7A, the Al—Ox film 2 which is the tunnel barrier layer 13 is formed.
O diffused from 5 is preferentially combined with the crystal grain boundary 32 in which B is precipitated, and is contained in the material forming the crystal grain boundary 32 more than in the material forming the crystal grain 31. . That is, it is considered that the crystal grain boundaries 32 are preferentially oxidized and the oxidation into the crystal grains 31 is suppressed.

【0035】このように、本実施形態のTMR素子1に
おいては、CoFeB膜24,26内に、これと隣接す
るAl−Ox膜25からの酸素拡散が優先的に起こる領
域を設けることにより、TMR効果に重要な界面のスピ
ン分極率が低下していない領域(結晶粒31の内部)が残
ることになり、このために高いTMR効果を実現できた
ものと考えられる。このような高いTMR効果は、MR
AMにおいては、大きな信号出力に対応し、高いS/N
比を実現し得ることになる。
As described above, in the TMR element 1 of the present embodiment, the TMR element 1 is provided with the regions in which the oxygen diffusion from the Al—Ox film 25 adjacent to the CoFeB films 24 and 26 occurs preferentially. It is considered that a region where the spin polarizability of the interface, which is important for the effect, is not reduced (inside the crystal grain 31) remains, and therefore a high TMR effect can be realized. Such high TMR effect is
AM has a high signal-to-noise ratio and high S / N.
A ratio can be realized.

【0036】さらに、微細な結晶粒31および結晶粒界
32の集合体からなる構造を有することの利点は他にも
存在する。一般に、TMR素子をMRAMに用いる場合
には、そのTMR素子における記憶層の反転磁界を低減
することが大きな課題の一つとなる。これは、反転磁界
が記録電流の大きさを決定し、記録電流の大きさは消費
電力の大きさに繋がるからである。通常、記憶層の反転
磁界は、膜の有する異方性磁界と反磁界とで決まる。と
ころが、記憶層12であるCoFeB膜26が結晶粒3
1および結晶粒界32の集合体からなる構造を有してい
ると、各結晶粒31の配向が略ランダムであるため、そ
の結晶磁気異方性も互いに相殺して略ゼロとなる。すな
わち、反転磁界のうち、膜の有する異方性に起因する成
分はゼロとなる。したがって、本実施形態のTMR素子
1によれば、反転磁界の低減にも貢献できるのである。
Furthermore, there are other advantages of having a structure composed of an aggregate of fine crystal grains 31 and crystal grain boundaries 32. Generally, when the TMR element is used in the MRAM, reducing the switching magnetic field of the storage layer in the TMR element is one of the major problems. This is because the reversal magnetic field determines the magnitude of the recording current, and the magnitude of the recording current leads to the magnitude of power consumption. Normally, the reversal magnetic field of the storage layer is determined by the anisotropic magnetic field and the demagnetizing field of the film. However, the CoFeB film 26, which is the memory layer 12, has the crystal grains 3
When the structure has an aggregate of 1 and crystal grain boundaries 32, the crystal magnetic anisotropies of the crystal grains 31 cancel each other out because the orientations of the crystal grains 31 are substantially random, and become substantially zero. That is, the component of the reversal magnetic field due to the anisotropy of the film is zero. Therefore, according to the TMR element 1 of the present embodiment, it is possible to contribute to the reduction of the switching magnetic field.

【0037】ところで、膜の磁気異方性は、その熱処理
温度に依存する。そのため、CoFeB膜26において
も、上述した熱処理温度(例えば280℃)以上に加熱
すると、結晶粒成長が進行して、所望の特性が得られな
い可能性がある。ただし、結晶粒成長は膜の組成等によ
って制御可能であり、実際のデバイスプロセスで膜がさ
らされる温度において特性が最適となるような組成を選
ぶことにより、高いTMR効果や低い異方性磁界を実現
することが可能である。つまり、熱処理温度等の製造環
境が予め規定されている場合であっても、記憶層12を
構成する強磁性体材料の組成や粒径等を制御することに
より、その記憶層12の磁気特性を調整することも可能
である。
By the way, the magnetic anisotropy of a film depends on its heat treatment temperature. Therefore, even in the CoFeB film 26, if it is heated to the heat treatment temperature (for example, 280 ° C.) or higher, crystal grain growth may proceed and desired characteristics may not be obtained. However, the crystal grain growth can be controlled by the composition of the film and the like, and by selecting a composition that has the optimum characteristics at the temperature to which the film is exposed in the actual device process, a high TMR effect and a low anisotropic magnetic field can be obtained. It can be realized. That is, even if the manufacturing environment such as the heat treatment temperature is defined in advance, the magnetic characteristics of the storage layer 12 can be controlled by controlling the composition, grain size, etc. of the ferromagnetic material forming the storage layer 12. It is also possible to adjust.

【0038】なお、本実施形態では、Al−Ox膜25
を挟むCoFeB膜24,26、すなわちトンネル障壁
層13を挟む二つの強磁性体層について、いずれも微細
な結晶粒31および結晶粒界32の集合体からなる構造
を有する場合を例に挙げて説明したが、かかる構造はい
ずれか一方の強磁性体層のみが有していても構わない。
つまり、いずれか一方の強磁性体層のみが結晶粒31お
よび結晶粒界32の集合体からなる場合であっても、A
l−Ox膜25からの酸素拡散の影響を抑制し得るの
で、良好な軟磁気特性が得られるようになる。したがっ
て、結晶粒31および結晶粒界32の集合体からなる構
造は、二つの強磁性体層の少なくとも一方に適用されて
いればよい。
In this embodiment, the Al-Ox film 25 is used.
The CoFeB films 24 and 26 sandwiching the tunnel barrier layer, that is, the two ferromagnetic layers sandwiching the tunnel barrier layer 13 will be described by taking as an example the case where they each have a structure composed of an assembly of fine crystal grains 31 and crystal grain boundaries 32. However, only one of the ferromagnetic layers may have such a structure.
That is, even when only one of the ferromagnetic layers is composed of the aggregate of the crystal grains 31 and the crystal grain boundaries 32, A
Since the influence of oxygen diffusion from the l-Ox film 25 can be suppressed, good soft magnetic characteristics can be obtained. Therefore, the structure including the aggregate of the crystal grains 31 and the crystal grain boundaries 32 may be applied to at least one of the two ferromagnetic layers.

【0039】また、本実施形態では、Al−Ox膜25
から拡散してくるOについて、結晶粒界32に析出てい
るBがこれと優先的に結合する場合を例に挙げて説明し
たが、結晶粒界32が隣接層からの拡散物質との結合性
を有していれば、その拡散物質は特に限定されるもので
はない。したがって、拡散物質は、Al−Ox膜25以
外の層(例えばTa層27)からのものであってもよ
い。ただし、結晶粒31と結晶粒界32とは、それぞれ
の組成が異なり、各種元素の拡散に対する親和力に差が
生じていることが望ましい。差が生じていれば、結晶粒
31を構成する材料よりも結晶粒界32を構成する材料
中に拡散物質が多く含まれるからであり、また結晶粒3
1を構成する材料の示すスピン分極率が結晶粒界32を
構成する材料の示すスピン分極率よりも高くなるからで
ある。つまり、良好な軟磁気特性の実現が確実なものと
なるからである。
Further, in this embodiment, the Al--Ox film 25 is used.
The case where B precipitated in the crystal grain boundary 32 is preferentially bonded to the O that diffuses from the crystal grain boundary 32 has been described as an example. However, the crystal grain boundary 32 binds to the diffusion material from the adjacent layer. If it has, the diffusing substance is not particularly limited. Therefore, the diffusion material may be from a layer other than the Al—Ox film 25 (for example, the Ta layer 27). However, it is desirable that the crystal grains 31 and the crystal grain boundaries 32 have different compositions and thus have different affinity for diffusion of various elements. This is because if there is a difference, the material forming the crystal grain boundary 32 contains a larger amount of the diffusing substance than the material forming the crystal grain 31.
This is because the spin polarizability indicated by the material forming 1 is higher than the spin polarizability indicated by the material forming the crystal grain boundary 32. That is, it is possible to ensure the realization of good soft magnetic characteristics.

【0040】このような、良好な軟磁気特性を得るため
には、結晶粒31の大きさが、磁壁の幅以下であること
が目安となる。磁壁の幅は、構成材料にもよるが、一般
に100nm程度である。したがって、結晶粒31の大
きさとしては、好ましくは100nm程度(球形状に近
似した場合における平均粒径)を上限とする。これに対
し、結晶粒31の大きさの下限は、非晶質のアモルファ
ス状態にならない程度であればよく、超常磁性限界とさ
れる2nm程度を下限とすることが好ましい。
In order to obtain such good soft magnetic characteristics, it is a standard that the size of the crystal grains 31 is not more than the width of the domain wall. The width of the domain wall depends on the constituent material, but is generally about 100 nm. Therefore, the upper limit of the size of the crystal grains 31 is preferably about 100 nm (the average grain size when approximated to a spherical shape). On the other hand, the lower limit of the size of the crystal grain 31 may be such that it does not become an amorphous state, and it is preferable that the lower limit is about 2 nm which is the superparamagnetic limit.

【0041】また、本実施形態では、CoFeB膜2
4,26の設計組成を(Co90Fe10)80B20
とした場合を例に挙げたが、発明の本質を鑑みれば、組
成はこれに限られるものではない。例えば、ベースとな
るCo−Fe系を各種組成のNi−Fe、Co−Ni、
Co−Ni−Fe系といった二元合金または三元合金に
することも有効であるが、特にCoxFe1−x(0.
45<x<0.95)とすることで、高いTMR効果が
期待できる。一方、このようなベースとなる磁性材料に
対しては、Al−Ox膜25からの拡散物質がOである
ことを考慮すればBを添加することが望ましいが、これ
に加えてSi、C(炭素)、Hf(ハフニウム)、T
a、N(窒素)、Cu、Nb(ニオブ)等の添加も有効
である。つまり、Bを含む一つ以上の異種元素を添加し
たものであればよい。したがって、異種元素の添加割合
も、本実施形態で説明したようにBのみを20%という
割合に限定されるものではない。ただし、結晶粒31お
よび結晶粒界32の集合体からなる構造を確実に形成で
き、かつ、その結晶粒界32に拡散物質との結合性を持
たせるためには、一つ以上の異種元素全体の添加割合が
15%以上であることが望ましい。
Further, in this embodiment, the CoFeB film 2 is used.
Design composition of 4,26 is (Co90Fe10) 80B20
However, in view of the essence of the invention, the composition is not limited to this. For example, a base Co-Fe system may be prepared from various compositions of Ni-Fe, Co-Ni,
It is also effective to use a binary alloy or a ternary alloy such as a Co-Ni-Fe system, but especially CoxFe1-x (0.
By setting 45 <x <0.95), a high TMR effect can be expected. On the other hand, it is desirable to add B to such a base magnetic material considering that the diffusion material from the Al—Ox film 25 is O. In addition to this, Si, C ( Carbon), Hf (hafnium), T
Addition of a, N (nitrogen), Cu, Nb (niobium), etc. is also effective. That is, it is sufficient that one or more different elements including B are added. Therefore, the addition ratio of the different element is not limited to the ratio of 20% B alone as described in the present embodiment. However, in order to surely form the structure composed of the aggregate of the crystal grains 31 and the crystal grain boundaries 32 and to make the crystal grain boundaries 32 have the bondability with the diffusing substance, one or more different kinds of all elements It is desirable that the addition ratio of is 15% or more.

【0042】さらには、TMR素子1の膜構成も例示し
たものには限られない。例えば、記憶層12よりも固定
参照層11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1ではなく、記憶層が固定参照
層よりも先に(下方に)積層される、いわゆるトップ型
のTMR素子についても全く同様である。また、TMR
素子のみならず、記憶層と固定参照層との間の非磁性体
層がCu等で構成されたGMR型のものであっても構わ
ないことは勿論である。
Furthermore, the film structure of the TMR element 1 is not limited to the illustrated one. For example, the fixed reference layer 11 is laminated earlier (lower) than the memory layer 12, not the so-called bottom type TMR element 1, but the memory layer is laminated earlier (lower) than the fixed reference layer. The same applies to so-called top-type TMR elements. Also, TMR
It goes without saying that not only the element but also the non-magnetic material layer between the storage layer and the fixed reference layer may be of the GMR type composed of Cu or the like.

【0043】[0043]

【発明の効果】以上に説明したように、本発明は、磁気
抵抗効果素子における強磁性体層を微細な結晶粒および
結晶粒界からなる構成とし、その結晶粒界に拡散物質と
の結合性を持たせているので、多層膜構造中においても
その強磁性体層に対する隣接層からの拡散の影響を抑制
して良好な特性が得られるようになり、結果として高い
MR効果を実現することができる。さらには、磁気異方
性を抑制することによる反転磁界の低減にも貢献でき
る。したがって、その磁気抵抗効果素子を用いて磁気メ
モリ装置を構成した場合には、低消費電力や高S/N比
等を通じて、その磁気メモリ装置の高性能化が図れるよ
うになる。
As described above, according to the present invention, the ferromagnetic layer in the magnetoresistive effect element is composed of fine crystal grains and crystal grain boundaries, and the crystal grain boundaries have a binding property with a diffusing substance. Since the effect of diffusion from the adjacent layer to the ferromagnetic layer is suppressed even in the multilayer film structure, good characteristics can be obtained, and as a result, a high MR effect can be realized. it can. Further, it can contribute to the reduction of the switching magnetic field by suppressing the magnetic anisotropy. Therefore, when a magnetic memory device is constructed using the magnetoresistive effect element, it is possible to improve the performance of the magnetic memory device through low power consumption and a high S / N ratio.

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

【図1】MRAMの基本的な構成例を示す模式図であ
る。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a basic configuration example of an MRAM.

【図2】MRAMを構成する単一のTMR素子部分の構
成例を示す模式図である。
FIG. 2 is a schematic diagram showing a configuration example of a single TMR element portion that constitutes an MRAM.

【図3】MTJ構造の基本的な構成例を示す模式図であ
る。
FIG. 3 is a schematic diagram showing a basic configuration example of an MTJ structure.

【図4】MTJ構造のTMR素子をさらに具体的に説明
するための模式図である。
FIG. 4 is a schematic diagram for more specifically explaining a TMR element having an MTJ structure.

【図5】本発明が適用されたTMR素子における強磁性
体層の膜構造の概要を示す模式図である。
FIG. 5 is a schematic diagram showing an outline of a film structure of a ferromagnetic layer in a TMR element to which the present invention is applied.

【図6】TMR効果の測定結果を示す説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram showing measurement results of TMR effect.

【図7】高い磁気抵抗変化率が得られる理由を説明する
ための概念図であり、(a)は本発明における膜構造の
一例を示す図、(b)は従来における膜構造の一例を示
す図である。
7A and 7B are conceptual diagrams for explaining the reason why a high magnetoresistance change rate is obtained, where FIG. 7A is a diagram showing an example of a film structure in the present invention, and FIG. 7B is an example of a conventional film structure. It is a figure.

【図8】MRAMを構成する記憶素子の磁界応答の一例
を示すアステロイド図である。
FIG. 8 is an asteroid diagram showing an example of a magnetic field response of a memory element forming an MRAM.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…TMR素子、11…固定参照層、12…記憶層、1
3…トンネル障壁層、14…下地層、15…保護層、2
1…基板、22…Ta膜、23…PtMn膜、24…C
oFeB膜、25…Al−Ox膜、26…CoFeB
膜、27…Ta膜、31…結晶粒、32…結晶粒界
1 ... TMR element, 11 ... Fixed reference layer, 12 ... Storage layer, 1
3 ... Tunnel barrier layer, 14 ... Underlayer, 15 ... Protective layer, 2
1 ... Substrate, 22 ... Ta film, 23 ... PtMn film, 24 ... C
oFeB film, 25 ... Al-Ox film, 26 ... CoFeB film
Film, 27 ... Ta film, 31 ... Crystal grain, 32 ... Crystal grain boundary

───────────────────────────────────────────────────── 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 27/10 447 43/12 G01R 33/06 R (72)発明者 大場 和博 東京都品川区北品川6丁目7番35号 ソニ ー株式会社内 (72)発明者 水口 徹也 東京都品川区北品川6丁目7番35号 ソニ ー株式会社内 (72)発明者 山元 哲也 東京都品川区北品川6丁目7番35号 ソニ ー株式会社内 (72)発明者 鹿野 博司 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 AA01 AD55 AD65 5D034 BA03 BA15 DA07 5E049 AA01 AA04 AA07 BA06 CB02 5F083 FZ10 JA38 JA39 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) H01F 10/32 H01L 43/12 H01L 27/105 27/10 447 43/12 G01R 33/06 R (72) Inventor Kazuhiro Oba 6-735 Kita-Shinagawa, Shinagawa-ku, Tokyo Sony Corporation (72) Inventor Tetsuya Mizuguchi 6-35, Kita-Shinagawa, Shinagawa-ku, Tokyo Sony Corporation (72) Inventor Tetsuya Yamamoto 6-735 Kita-Shinagawa, Shinagawa-ku, Tokyo Sony Corporation (72) Inventor Hiroshi Kano 6-35, Kita-Shinagawa, Shinagawa-ku, Tokyo Sony Corporation F-term (reference) 2G017 AA01 AD55 AD65 5D034 BA03 BA15 DA07 5E049 AA01 AA04 AA07 BA06 CB02 5F083 FZ10 JA38 JA39

Claims (13)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 二つの強磁性体層とこれらの間に挟まれ
る非磁性体層とを含む多層膜構造の磁気抵抗効果素子に
おいて、 前記強磁性体層のうちの少なくとも一方は、結晶粒およ
び結晶粒界の集合体からなるものであり、 前記結晶粒界は、当該結晶粒界の属する強磁性体層の隣
接層からの拡散物質との結合性を有したものであること
を特徴とする磁気抵抗効果素子。
1. A magnetoresistive effect element having a multi-layer structure including two ferromagnetic layers and a non-magnetic layer sandwiched between the ferromagnetic layers, wherein at least one of the ferromagnetic layers has crystal grains and It is composed of an aggregate of crystal grain boundaries, wherein the crystal grain boundaries are those having a binding property with a diffusion material from an adjacent layer of a ferromagnetic material layer to which the crystal grain boundaries belong. Magnetoresistive element.
【請求項2】 前記結晶粒の組成と前記結晶粒界の組成
とが異な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 magnetoresistive effect element according to claim 1, wherein the composition of the crystal grains is different from the composition of the crystal grain boundaries.
【請求項3】 前記拡散物質が、前記結晶粒を構成する
材料よりも、前記結晶粒界を構成する材料中に多く含ま
れていることを特徴とする請求項2記載の磁気抵抗効果
素子。
3. The magnetoresistive effect element according to claim 2, wherein the diffusing substance is contained more in the material forming the crystal grain boundaries than in the material forming the crystal grains.
【請求項4】 前記結晶粒を構成する材料の示すスピン
分極率が、前記結晶粒界を構成する材料の示すスピン分
極率よりも高いことを特徴とする請求項2記載の磁気抵
抗効果素子。
4. The magnetoresistive element according to claim 2, wherein the spin polarizability of the material forming the crystal grains is higher than the spin polarizability of the material forming the crystal grain boundaries.
【請求項5】 前記結晶粒は、当該結晶粒を球形状に近
似した場合における平均粒径が100nm以下であるこ
とを特徴とする請求項1記載の磁気抵抗効果素子。
5. The magnetoresistive effect element according to claim 1, wherein the crystal grains have an average grain size of 100 nm or less when the crystal grains are approximated to a spherical shape.
【請求項6】 前記結晶粒は、当該結晶粒を球形状に近
似した場合における平均粒径が2nm以上であることを
特徴とする請求項5記載の磁気抵抗効果素子。
6. The magnetoresistive effect element according to claim 5, wherein the crystal grains have an average grain size of 2 nm or more when the crystal grains are approximated to a spherical shape.
【請求項7】 前記結晶粒および前記結晶粒界の集合体
からなる強磁性体層は、コバルト、鉄およびニッケルの
うちの少なくとも一つを含む磁性材料に、一つ以上の異
種元素を添加したものからなることを特徴とする請求項
1記載の磁気抵抗効果素子。
7. The ferromagnetic layer composed of the crystal grains and an aggregate of the crystal grain boundaries comprises a magnetic material containing at least one of cobalt, iron and nickel, and one or more different elements added to the magnetic material. The magnetoresistive effect element according to claim 1, characterized in that
【請求項8】 前記異種元素としてホウ素を含むことを
特徴とする請求項7記載の磁気抵抗効果素子。
8. The magnetoresistive effect element according to claim 7, wherein boron is contained as the different element.
【請求項9】 前記結晶粒および前記結晶粒界の集合体
からなる強磁性体層は、CoxFe1−x(0.45<
x<0.95)の割合でコバルトおよび鉄を含む磁性材
料に、ホウ素を含む一つ以上の異種元素を添加したもの
からなることを特徴とする請求項8記載の磁気抵抗効果
素子。
9. The ferromagnetic layer composed of an aggregate of the crystal grains and the crystal grain boundaries is CoxFe1-x (0.45 <
9. The magnetoresistive effect element according to claim 8, wherein the magnetic material containing cobalt and iron in a ratio of x <0.95) has one or more different elements containing boron added thereto.
【請求項10】 前記一つ以上の異種元素全体の添加割
合が15%以上であることを特徴とする請求項9記載の
磁気抵抗効果素子。
10. The magnetoresistive effect element according to claim 9, wherein a total addition ratio of the one or more different elements is 15% or more.
【請求項11】 前記非磁性体層が絶縁体からなるトン
ネル障壁層であり、当該非磁性体層とこれを挟む二つの
強磁性体層とで強磁性トンネル接合を形成することを特
徴とする請求項1記載の磁気抵抗効果素子。
11. The nonmagnetic layer is a tunnel barrier layer made of an insulator, and the nonmagnetic layer and two ferromagnetic layers sandwiching the nonmagnetic layer form a ferromagnetic tunnel junction. The magnetoresistive effect element according to claim 1.
【請求項12】 二つの強磁性体層とこれらの間に挟ま
れる非磁性体層とを含む多層膜構造の磁気抵抗効果素子
を製造するための製造装置であって、 前記強磁性体層を成膜する成膜手段を備えるとともに、 前記成膜手段は、前記強磁性体層のうちの少なくとも一
方を、コバルト、鉄およびニッケルのうちの少なくとも
一つを含む磁性材料に一つ以上の異種元素を添加して成
膜し、当該少なくとも一方の強磁性体層が結晶粒および
結晶粒界の集合体からなり、かつ、前記結晶粒界が前記
異種元素によって形成されるようにするものであること
を特徴とする磁気抵抗効果素子の製造装置。
12. A manufacturing apparatus for manufacturing a magnetoresistive effect element having a multilayer film structure, which comprises two ferromagnetic layers and a non-magnetic layer sandwiched therebetween, wherein the ferromagnetic layers are The film forming means includes a film forming means for forming a film, and the film forming means forms at least one of the ferromagnetic layers into a magnetic material containing at least one of cobalt, iron and nickel. Is added to form a film, the at least one ferromagnetic layer is made of an aggregate of crystal grains and crystal grain boundaries, and the crystal grain boundaries are formed by the different elements. An apparatus for manufacturing a magnetoresistive effect element, comprising:
【請求項13】 二つの強磁性体層とこれらの間に挟ま
れる非磁性体層とを含む多層膜構造の磁気抵抗効果素子
を具備し、前記強磁性体層の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た磁気メモリ装置におい
て、 前記強磁性体層のうちの少なくとも一方は、結晶粒およ
び結晶粒界の集合体からなるものであり、 前記結晶粒界は、当該結晶粒界の属する強磁性体層の隣
接層からの拡散物質との結合性を有したものであること
を特徴とする磁気メモリ装置。
13. A magnetoresistive element having a multilayer film structure including two ferromagnetic layers and a non-magnetic layer sandwiched between the ferromagnetic layers, and utilizing a change in the magnetization direction of the ferromagnetic layers. In the magnetic memory device configured to record information by using at least one of the ferromagnetic material layers, the ferromagnetic material layer includes an aggregate of crystal grains and crystal grain boundaries, and the crystal grain boundaries are the crystal grains. A magnetic memory device characterized by having a binding property with a diffusion material from a layer adjacent to a ferromagnetic layer to which a grain boundary belongs.
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