JP2003188439A - Magneto-resistive effect element, method of manufacturing the same, and magnetic memory device - Google Patents

Magneto-resistive effect element, method of manufacturing the same, and magnetic memory device

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JP2003188439A
JP2003188439A JP2001388985A JP2001388985A JP2003188439A JP 2003188439 A JP2003188439 A JP 2003188439A JP 2001388985 A JP2001388985 A JP 2001388985A JP 2001388985 A JP2001388985 A JP 2001388985A JP 2003188439 A JP2003188439 A JP 2003188439A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To achieve low power consumption when a magnetic memory device is configured by enabling, for a free layer provided in a magneto-resistive effect element, the control of rotary magnetic field without technical difficulty and limitation to reduction in thickness of the free layer. <P>SOLUTION: The magneto-resistive effect element is formed by laminating at least a ferromagnetic free layer 12, a non-magnetic layer 13 and a ferromagnetic fixed layer (not illustrated). In this magneto-resistive effect element, a value of the rotary magnetic field at the free layer 12 can be controlled by the growth of the free layer 12 up to the thickness enough to attain the continuation thereof, the formation of a mixed layer region 12b, which has extremely reduced or perfectly eliminated magnetism, to a part of the free layer 12, and substantial reduction in thickness of the free layer 12 to show its function as much as the thickness of the mixed layer region 12b. <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
びその製造方法、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 method of manufacturing the same, and a magnetic memory device configured as a memory device that stores information 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
層、他方を自由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自由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 layer and the other as the free layer, the magnetization direction in the free layer can correspond to the voltage signal through the tunnel magnetoresistive effect. It becomes possible to take out as a signal.

【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
9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、例えば低
消費電力化が強く望まれている。MRAMにおいては、
情報の書き込みが電流によって行われるが、その際に既
述のHc(h)を超える磁界を発生させるために十分な
電流を流す必要がある。この電流値は、記憶素子の構成
材料や構造等にも依存するが、一般に数mA程度といわ
れており、低消費電力化に向けての障壁となっている。
また、大きな電流を必要とすることにより、微細化を進
めた場合の配線のエレクトロマイグレーションによる断
線も問題となり得る。
On the other hand, some technical problems have been pointed out for the MRAM. Specifically, for example, low power consumption is strongly desired. In MRAM,
Information is written by a current, but at that time, it is necessary to flow a sufficient current to generate a magnetic field exceeding Hc (h) described above. Although this current value depends on the constituent material and structure of the memory element, it is generally said to be about several mA, which is a barrier to lower power consumption.
In addition, since a large current is required, disconnection due to electromigration of wiring may occur when miniaturization is advanced.

【0009】低消費電力化を実現する一つの手法として
は、例えば材料固有のHc(h)を低減させることが考
えられる。Hc(h)は、Hc(0)、アステロイド形
状、hの値等によって決定されるが、Hc(0)を低減
させることとHc(h)を低減させることとは定性的に
は矛盾しないため、以下においてはHc(0)の低減に
ついて述べる。Hc(0)は、近似的に、Hc(0)=
Hc(Film)+a×Ms×t/Wで与えられる。Hc
(Film)は微細加工を施す前の膜自体のHcである。ま
た、右辺第二項は反磁界による効果であり、aは比例定
数、Msは自由層の飽和磁化、tは自由層の厚さ、Wは
自由層の磁化困難軸方向の長さである。サブμmクラス
の大きさの素子となると、Wが小さくなるために反磁界
の項が支配的となる。したがって、この式からも明らか
なように、Hc(0)を低減するためには、自由層を薄
くすることが有効な手法の一つであると容易に推測でき
る。
As one method for realizing low power consumption, it is possible to reduce Hc (h) peculiar to a material, for example. Hc (h) is determined by Hc (0), asteroid shape, h value, etc., but reducing Hc (0) and Hc (h) are qualitatively consistent. Therefore, the reduction of Hc (0) will be described below. Hc (0) is approximately Hc (0) =
It is given by Hc (Film) + a * Ms * t / W. Hc
(Film) is Hc of the film itself before fine processing. The second term on the right side is the effect due to the demagnetizing field, a is a proportional constant, Ms is the saturation magnetization of the free layer, t is the thickness of the free layer, and W is the length of the free layer in the direction of the hard axis. In the case of an element having a size in the sub μm class, the demagnetizing field term becomes dominant because W becomes small. Therefore, as is clear from this equation, it can be easily estimated that thinning the free layer is one of the effective methods for reducing Hc (0).

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、自由層
を薄くすることは、Hc(0)ひいてはHc(h)の低
減のためには有効であっても、以下に述べるように技術
的な困難あるいは限界を伴う。例えば、MRAMの低消
費電力化を実現するためには、自由層の厚さtを1〜2
nm程度まで薄くする必要があると考えられる。ところ
が、このように薄い自由層をウエハ基板上の全面に渡っ
て均一に成長させることは容易ではない。これは、自由
層の形成材料とその自由層直下にある層の形成材料との
濡れ性が悪い場合に、例えば図4(b)に示すように、
成長初期の段階では自由層が島状に成長してしまい、1
〜2nm程度の厚さでは未だ均一な層状にならないこと
があり得るからである。したがって、単に薄くしただけ
では、自由層が連続膜でなくなるおそれがある。また、
その他にも、成長レート制御の困難さ等、自由層の薄膜
化を阻害する製造方法上の問題は多く存在する。
However, although making the free layer thin is effective for reducing Hc (0) and thus Hc (h), it is difficult to solve the technical problems as described below. With limits. For example, in order to reduce the power consumption of the MRAM, the thickness t of the free layer is set to 1 to 2.
It is considered necessary to reduce the thickness to about nm. However, it is not easy to uniformly grow such a thin free layer over the entire surface of the wafer substrate. This is because when the wettability between the material for forming the free layer and the material for forming the layer directly below the free layer is poor, for example, as shown in FIG.
At the initial stage of growth, the free layer grows like an island,
This is because a uniform layer may not be formed with a thickness of about 2 nm. Therefore, the free layer may not be a continuous film if it is simply thinned. Also,
In addition, there are many problems in the manufacturing method that hinder the thinning of the free layer, such as difficulty in controlling the growth rate.

【0011】そこで、本発明は、以上のような従来の実
情に鑑みて、自由層の薄膜化への技術的な困難あるいは
限界を伴うことなく反転磁界の抑制を可能とし、これに
より低消費電力化を実現可能とする磁気抵抗効果素子お
よびその製造方法並びに磁気メモリ装置を提供すること
を目的とする。
In view of the above conventional circumstances, the present invention makes it possible to suppress the reversal magnetic field without the technical difficulty or limitation of thinning the free layer, thereby reducing the power consumption. It is an object of the present invention to provide a magnetoresistive effect element, a method for manufacturing the same, and a magnetic memory device that can realize the following.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】本発明に係る磁気抵抗効
果素子は、上記目的を達成するために案出されたもの
で、少なくとも強磁性の自由層、非磁性の非磁性層およ
び強磁性体の固定層が積層されてなる磁気抵抗効果素子
において、前記自由層の前記非磁性層側でない界面近傍
に、強磁性体と非磁性物質との混合層領域が形成されて
いることを特徴とするものである。
A magnetoresistive effect element according to the present invention has been devised in order to achieve the above object, and at least a ferromagnetic free layer, a nonmagnetic nonmagnetic layer and a ferromagnetic material. In the magnetoresistive effect element in which the fixed layer is laminated, a mixed layer region of a ferromagnetic substance and a nonmagnetic substance is formed in the vicinity of the interface of the free layer that is not on the nonmagnetic layer side. It is a thing.

【0013】また、本発明に係る磁気抵抗効果素子の製
造方法は、前記自由層の前記非磁性層側でない側に当該
自由層を形成する強磁性体と固溶体を形成しやすい非磁
性物質を隣接して成膜し、あるいは前記自由層の成膜後
に当該自由層を所定雰囲気中に晒し、あるいは前記自由
層の成膜後に当該自由層に対して異種原子またはイオン
の打ち込み処理を行い、当該自由層の前記非磁性層側で
ない界面近傍に強磁性体と非磁性物質との混合層領域を
形成することを特徴とする。
Also, in the method of manufacturing a magnetoresistive effect element according to the present invention, a ferromagnetic material forming the free layer and a nonmagnetic material that easily forms a solid solution are adjacent to each other on the side of the free layer which is not the nonmagnetic layer side. Film is formed by exposing the free layer to a predetermined atmosphere after forming the free layer, or by implanting different atoms or ions into the free layer after forming the free layer. A mixed layer region of a ferromagnetic material and a non-magnetic substance is formed in the vicinity of the interface of the layer which is not on the non-magnetic layer side.

【0014】また、本発明に係る磁気メモリ装置は、少
なくとも強磁性の自由層、非磁性の非磁性層および強磁
性体の固定層が積層されてなる磁気抵抗効果素子を具備
し、前記自由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、前記自
由層の前記非磁性層側でない界面近傍に、強磁性体と非
磁性物質との混合層領域が形成されていることを特徴と
するものである。
The magnetic memory device according to the present invention further comprises a magnetoresistive effect element in which at least a ferromagnetic free layer, a nonmagnetic nonmagnetic layer, and a ferromagnetic fixed layer are laminated, and the free layer. In a magnetic memory device configured to record information by utilizing the change in the magnetization direction of the magnetic layer, a mixed layer region of a ferromagnetic substance and a nonmagnetic substance is formed in the vicinity of the interface of the free layer that is not on the nonmagnetic layer side. It is characterized by being formed.

【0015】上記構成の磁気抵抗効果素子、若しくは上
記手順の製造方法によって構成された磁気抵抗効果素
子、または上記構成の磁気メモリ装置によれば、混合層
領域の飽和磁気モーメントを自由層の形成材料である強
磁性体よりも小さくするか非磁性とすれば、その混合層
領域の分だけ実質的に自由層として機能する厚さが減少
する。したがって、十分な連続性が得られる厚さの自由
層を形成しても、その厚さ全体が強磁性体のみからなる
場合に比べて、その自由層での反転磁界の大きさが抑制
されることになる。
According to the magnetoresistive effect element having the above configuration, the magnetoresistive effect element configured by the manufacturing method according to the above procedure, or the magnetic memory device having the above configuration, the saturation magnetic moment of the mixed layer region is used as the material for forming the free layer. If it is made smaller than the ferromagnetic material or made non-magnetic, the thickness that functions as a free layer is substantially reduced by the mixed layer region. Therefore, even if a free layer having a thickness sufficient for continuity is formed, the magnitude of the reversal magnetic field in the free layer is suppressed as compared with the case where the entire thickness is made only of a ferromagnetic material. It will be.

【0016】[0016]

【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方法並びに磁気メモリ
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 method of manufacturing the same, 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.

【0017】〔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.

【0018】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 which constitutes 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.

【0019】このような構成により、MRAMでは、T
MR素子1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TMR素子1における自由層
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における自由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 such a configuration, in the MRAM, the T
With respect to 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,
Information is written by changing the magnetization direction of the free layer in the TMR element 1 using the combined current magnetic field. Information is read from the TMR element 1 by selecting the TMR element 1 using a field effect transistor and extracting the magnetization direction of the free layer in the TMR element 1 as a voltage signal.

【0020】〔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
性体の三層構造からなり、片方の強磁性体層の磁化の向
きを固定層(または固定参照層)11、他方を自由層1
2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、その自由層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効果を通じてその自由層1
2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、すなわち固定層11および自由層
12の間に挟まれた絶縁体からなる非磁性層13は、例
えばAl酸化物からなり、トンネル障壁層としての機能
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 is composed of a three-layer structure of ferromagnetic material / insulator / ferromagnetic material, and the magnetization direction of one ferromagnetic material layer is a fixed layer (or fixed reference layer) 11 and the other is a free layer 1.
Used as 2. Then, the word line 2 and the bit line 3
Information is written (recorded) by changing the magnetization direction of the free layer 12 by the combined current magnetic field generated by the free layer 1 through the tunnel MR effect.
The magnetization direction in 2 corresponds to the voltage signal. These two ferromagnetic layers, that is, the nonmagnetic layer 13 made of an insulator sandwiched between the fixed layer 11 and the free layer 12 is made of, for example, Al oxide and has a function as a tunnel barrier layer. The other layers such as the underlayer 14 and the protective layer 15 are generally made of a material having no magnetism.

【0021】ところで、このような構成のTMR素子1
において、自由層12を薄くすることにより、反転磁界
が低減し、消費電力を抑制できることは既に述べたとお
りである。すなわち、自由層12を1〜2nm程度の極
めて薄い厚さで均一に成長させることができれば、消費
電力の低減に効果があると考えられる。図4(a)は、
金属磁性材料12aが理想的な層状成長をした場合の様
子を示す説明図である。ただし、実際に1〜2nm程度
の金属磁性材料12aを、例えばAl酸化物からなる非
磁性層13の上に成長させると、そのAl酸化物の表面
自由エネルギが一般的な遷移金属磁性材料のそれよりも
小さいため、その金属磁性材料12aが島状になり易
い。図4(b)は、金属磁性材料12aが島状になった
様子を示す説明図である。このように、単に自由層12
を薄くするだけでは、非磁性層13上の全面に渡って金
属磁性材料12aを均一に成長させることが容易ではな
く、結果として自由層12の連続性が損なわれるおそれ
がある。
By the way, the TMR element 1 having such a configuration
As described above, by thinning the free layer 12, the switching field can be reduced and power consumption can be suppressed. That is, if the free layer 12 can be grown uniformly with an extremely thin thickness of about 1 to 2 nm, it is considered to be effective in reducing power consumption. Figure 4 (a)
It is explanatory drawing which shows a mode when the metallic magnetic material 12a carries out ideal layered growth. However, when the metallic magnetic material 12a having a thickness of about 1 to 2 nm is actually grown on the nonmagnetic layer 13 made of, for example, Al oxide, the surface free energy of the Al oxide is that of a general transition metal magnetic material. Since it is smaller than the above, the metal magnetic material 12a is likely to have an island shape. FIG. 4B is an explanatory diagram showing a state in which the metallic magnetic material 12a has an island shape. Thus, simply the free layer 12
It is not easy to uniformly grow the metallic magnetic material 12a over the entire surface of the non-magnetic layer 13 only by thinning the thickness, and as a result, the continuity of the free layer 12 may be impaired.

【0022】そこで、本実施形態で説明するTMR素子
1では、自由層12が以下に述べるように構成されてい
る。図5は、TMR素子の要部の構成例を示す説明図で
ある。図5(a)に示すように、本実施形態のTMR素
子1では、膜の連続性と薄さを両立させるために、自由
層12の非磁性層13側でない界面近傍に、強磁性体と
非磁性物質との混合層領域12bが形成されている。図
例のように、非磁性層13の上面側に自由層12が位置
する、いわゆるボトム型のTMR素子1であれば、自由
層12における保護層15側の界面近傍に混合層領域1
2bが形成されることになる。ただし、非磁性層13の
上面側に固定層11が位置する、いわゆるトップ型のT
MR素子については、自由層12における下地層14側
の界面近傍に混合層領域12bが形成されることにな
る。
Therefore, in the TMR element 1 described in this embodiment, the free layer 12 is constructed as described below. FIG. 5 is an explanatory diagram showing a configuration example of the main part of the TMR element. As shown in FIG. 5A, in the TMR element 1 of this embodiment, in order to achieve both film continuity and thinness, a ferromagnetic material is provided near the interface of the free layer 12 that is not on the nonmagnetic layer 13 side. A mixed layer region 12b with a non-magnetic substance is formed. In the case of a so-called bottom type TMR element 1 in which the free layer 12 is located on the upper surface side of the non-magnetic layer 13 as shown in the figure, the mixed layer region 1 is formed near the interface of the free layer 12 on the protective layer 15 side.
2b will be formed. However, a so-called top type T in which the fixed layer 11 is located on the upper surface side of the non-magnetic layer 13
In the MR element, the mixed layer region 12b is formed near the interface of the free layer 12 on the underlayer 14 side.

【0023】〔磁気抵抗効果素子の製造方法〕次に、以
上のような構成のTMR素子1の製造方法について説明
する。ここでは、ボトム型のTMR素子1を製造する場
合を例に挙げ、主に混合層領域12bの形成手順につい
て説明する。
[Manufacturing Method of Magnetoresistive Effect Element] Next, a manufacturing method of the TMR element 1 having the above configuration will be described. Here, the case of manufacturing the bottom type TMR element 1 is taken as an example, and the procedure for forming the mixed layer region 12b is mainly described.

【0024】先ず、TMR素子1の製造方法の第一例に
ついて説明する。第一例では、保護層15の材料選択に
よって、自由層12における混合層領域12bを形成す
る。詳しくは、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て、Al酸化物等か
らなる非磁性層13上に、自由層12の構成材料である
金属磁性材料12aを成膜する。金属磁性材料12aと
しては、例えばNi(ニッケル)−Fe(鉄)系の合
金、具体的にはNi81Fe19合金(以下、単に「NiF
e」と記載する)を用いることが考えられる。ただし、
このときの成膜は、NiFe膜がその連続性を確保する
のに十分な厚さまで成長するように行う。そのために
は、例えばNiFe膜の設計膜厚を3nm以上とすれば
よい。
First, a first example of the method of manufacturing the TMR element 1 will be described. In the first example, the mixed layer region 12b in the free layer 12 is formed by selecting the material of the protective layer 15. Specifically, for example, by using a magnetron sputtering apparatus in which the back pressure is exhausted to an ultrahigh vacuum region, a metal magnetic material 12a, which is a constituent material of the free layer 12, is formed on the nonmagnetic layer 13 made of Al oxide or the like. To do. As the metallic magnetic material 12a, for example, a Ni (nickel) -Fe (iron) -based alloy, specifically, a Ni 81 Fe 19 alloy (hereinafter, simply referred to as "NiF
e ”). However,
The film formation at this time is performed so that the NiFe film grows to a thickness sufficient to secure its continuity. For that purpose, for example, the designed film thickness of the NiFe film may be set to 3 nm or more.

【0025】その後は、そのNiFe膜上に、自由層1
2を覆うことになる保護層15を成膜する。ただし、保
護層15の構成材料としては、NiFeと固溶体を形成
しやすい非磁性物質を選択する。すなわち、NiFe膜
上に、そのNiFeと固溶体を形成しやすい非磁性物質
を隣接して成膜することになる。具体的には、NiFe
と異種金属であるTa(タンタル)を、例えば5nm程
度の厚さで成膜することが考えられる。
After that, the free layer 1 is formed on the NiFe film.
A protective layer 15 that covers 2 is formed. However, as the constituent material of the protective layer 15, a non-magnetic substance that easily forms a solid solution with NiFe is selected. That is, a nonmagnetic substance that easily forms a solid solution with the NiFe film is formed adjacently on the NiFe film. Specifically, NiFe
It is conceivable to form Ta (tantalum), which is a dissimilar metal, with a thickness of, for example, about 5 nm.

【0026】NiFe膜に隣接してTa膜を成膜した場
合には、そのNiFe中に対してTaの自然拡散が生じ
る。そして、そのNiFe中で、NiFeとTaとが反
応して固溶体を形成する。これにより、保護層15側の
界面近傍には、強磁性体であるNiFeと非磁性物質で
あるTaとの混合層領域12bが形成されることにな
る。
When a Ta film is formed adjacent to the NiFe film, spontaneous diffusion of Ta occurs in the NiFe. Then, in the NiFe, NiFe reacts with Ta to form a solid solution. As a result, a mixed layer region 12b of NiFe, which is a ferromagnetic substance, and Ta, which is a nonmagnetic substance, is formed near the interface on the protective layer 15 side.

【0027】このとき、Ta膜の成膜後にアニール等の
加熱処理を行うようにすることも考えられる。加熱処理
を行った場合には、上述した自然拡散に比べて、NiF
e中に対するTaの拡散が促進されることになり、結果
としてより一層の混合層領域12bの形成の確実化や厚
膜化等が図れるようになる。
At this time, it may be possible to perform heat treatment such as annealing after the Ta film is formed. When heat treatment is performed, NiF
The diffusion of Ta with respect to the inside of e is promoted, and as a result, it is possible to further ensure the formation of the mixed layer region 12b and increase the film thickness.

【0028】このようにして形成される混合層領域12
bは、NiFeとTaとが混合してなることから、その
飽和磁化がNiFe単体における飽和磁化よりも小さく
なる。したがって、NiFe膜が連続になるのに十分な
厚さまで成長させても、そのNiFe自体の飽和磁化が
発揮される部分は、混合層領域12bの厚さを差し引い
た分だけとなる。すなわち、混合層領域12bの分だけ
実質的に自由層12として機能する厚さが減少する。こ
のことから、自由層12として成膜するNiFe膜の設
計膜厚が3nm以上であっても、そのNiFe膜全体の
厚さから混合層領域12bの厚さを差し引いた値が3n
m以下(従来は膜の連続性確保が困難な厚さ)であれ
ば、膜の連続性を確保しつつ、実効的な自由層12の厚
さが薄膜化されることになり、結果として自由層12の
反転磁界の抑制が可能になると言える。
The mixed layer region 12 thus formed
Since b is formed by mixing NiFe and Ta, its saturation magnetization becomes smaller than that of NiFe alone. Therefore, even if the NiFe film is grown to a thickness sufficient to be continuous, the saturation magnetization of the NiFe itself is exerted only in the portion obtained by subtracting the thickness of the mixed layer region 12b. That is, the thickness that functions as the free layer 12 is substantially reduced by the mixed layer region 12b. From this, even if the design film thickness of the NiFe film formed as the free layer 12 is 3 nm or more, the value obtained by subtracting the thickness of the mixed layer region 12b from the total thickness of the NiFe film is 3n.
When the thickness is m or less (the thickness that is difficult to secure the continuity of the film in the past), the effective thickness of the free layer 12 is reduced while securing the continuity of the film, and as a result, the free layer 12 is free. It can be said that the switching magnetic field of the layer 12 can be suppressed.

【0029】これを実現するための混合層領域12b
は、結果的に磁性体となっても構わないが、この混合層
領域12bの飽和磁化が自由層12本来の飽和磁化より
も大きくならないことが、反転磁界を抑制する上で非常
に重要となる。さらに、反転磁界抑制という観点から
は、混合層領域12bが非磁性体となるようにすること
が望ましい。この点については、例えばNiFe膜に対
してTaを積層するといったように、自由層12に対す
る保護層15の材料選択によって適宜設定することが可
能である。
Mixed layer region 12b for realizing this
May eventually become a magnetic material, but it is very important for suppressing the switching magnetic field that the saturation magnetization of the mixed layer region 12b does not become larger than the original saturation magnetization of the free layer 12. . Further, from the viewpoint of suppressing the reversal magnetic field, it is desirable that the mixed layer region 12b be a non-magnetic material. This point can be appropriately set by selecting the material of the protective layer 15 with respect to the free layer 12, such as stacking Ta on the NiFe film.

【0030】なお、上述した第一例では、自由層12と
してNiFeを用い、これを覆う異種金属層(保護層1
5)としてTaを用いた場合を例に挙げたが、各層の材
料はこれらに限定されるものではない。例えば、自由層
12として、組成がNi81Fe19と異なるNiFe合
金、CoFe系合金、NiFeCo系合金を用いても構
わない。あるいは、Ni、Fe、Co(コバルト)のい
ずれか一つまたは複数を含む合金に、これらと異なる元
素を添加してなる合金を用いても構わない。これについ
ては、トンネル磁気抵抗や反転磁界、耐熱性等を考慮し
つつ自由に選択すればよい。さらに、異種金属層として
は、Taの他に、Ru(ルテニウム)、Cu、Pt(白
金)、Au(金)、Ag(銀)、Pd(パラジウム)、
Al、Cr(クロム)、Ti(チタン)、Rh(ロジウ
ム)、W(タングステン)、Ir(イリジウム)等のい
ずれかを用いたり、これらを一種以上含む合金を用いた
りしても構わない。
In the above-mentioned first example, NiFe is used as the free layer 12, and a dissimilar metal layer (protective layer 1) that covers the NiFe is used.
Although the case where Ta is used as 5) is taken as an example, the material of each layer is not limited to these. For example, as the free layer 12, a NiFe alloy, a CoFe alloy, or a NiFeCo alloy having a composition different from Ni 81 Fe 19 may be used. Alternatively, an alloy obtained by adding an element different from these to an alloy containing one or more of Ni, Fe, and Co (cobalt) may be used. This can be freely selected in consideration of tunnel magnetic resistance, reversal magnetic field, heat resistance and the like. Further, as the dissimilar metal layer, in addition to Ta, Ru (ruthenium), Cu, Pt (platinum), Au (gold), Ag (silver), Pd (palladium),
Any of Al, Cr (chromium), Ti (titanium), Rh (rhodium), W (tungsten), Ir (iridium), etc. may be used, or an alloy containing one or more of these may be used.

【0031】続いて、TMR素子1の製造方法の第二例
について説明する。第二例では、自由層12の成膜後
に、その自由層12を所定雰囲気中に晒すことによって
混合層領域12bを形成する。詳しくは、非磁性あるい
は磁性を著しく弱めた混合層領域12bを形成するため
に、第1例のような隣接する異種金属層を利用せず、成
膜後の自由層12を所定雰囲気中に一定時間晒す。所定
雰囲気としては、例えば大気中、水蒸気中、所定ガス中
といったものが考えられる。この点以外は通常の場合と
同様である。したがって、第二例では、混合層領域12
bを形成する非磁性物質が、第一例の場合のような金属
材料ではなく、所定雰囲気を形成するH(水素)、O
(酸素)、N(窒素)、Cl(塩素)、S(硫黄)、C
(炭素)、F(フッ素)等のうちのいずれか一つまたは
複数の化合物からなる。
Next, a second example of the method of manufacturing the TMR element 1 will be described. In the second example, after forming the free layer 12, the mixed layer region 12b is formed by exposing the free layer 12 to a predetermined atmosphere. Specifically, in order to form the mixed layer region 12b which is non-magnetic or whose magnetic property is significantly weakened, the adjacent free metal layer as in the first example is not used, and the free layer 12 after film formation is kept constant in a predetermined atmosphere. Expose for hours. The predetermined atmosphere may be, for example, the atmosphere, water vapor, or a predetermined gas. Other than this point, it is the same as the normal case. Therefore, in the second example, the mixed layer region 12
The non-magnetic substance forming b is not a metal material as in the case of the first example, but H (hydrogen) and O forming a predetermined atmosphere.
(Oxygen), N (nitrogen), Cl (chlorine), S (sulfur), C
(Carbon), F (fluorine), etc., or one or more compounds.

【0032】このようにして形成される混合層領域12
bも、NiFe等の強磁性体と所定雰囲気を形成するH
等の非磁性物質とが混合してなることから、その飽和磁
化が強磁性体単体における飽和磁化よりも小さくなる。
したがって、混合層領域12bの分だけ実質的に自由層
12として機能する厚さが減少することから、自由層1
2として成膜する強磁性体の設計膜厚が3nm以上であ
っても、その強磁性体全体の厚さから混合層領域12b
の厚さを差し引いた値が3nm以下であれば、膜の連続
性を確保しつつ、実効的な自由層12の厚さが薄膜化さ
れることになり、結果として自由層12の反転磁界の抑
制が可能になると言える。
The mixed layer region 12 thus formed
b is also H, which forms a predetermined atmosphere with a ferromagnetic material such as NiFe
Since it is mixed with a non-magnetic substance such as, the saturation magnetization becomes smaller than the saturation magnetization of the ferromagnetic substance alone.
Therefore, the thickness that functions as the free layer 12 is substantially reduced by the mixed layer region 12b, and thus the free layer 1
Even if the designed film thickness of the ferromagnetic material formed as No. 2 is 3 nm or more, the mixed layer region 12b is
If the value obtained by subtracting the thickness of 3 is 3 nm or less, the effective thickness of the free layer 12 is reduced while securing the continuity of the film, and as a result, the reversal field of the free layer 12 is reduced. It can be said that suppression is possible.

【0033】なお、上述した第二例では、自由層12を
所定雰囲気中に晒すことによって混合層領域12bを形
成する場合について説明したが、その混合層領域12b
を形成する非磁性物質は、自由層12と隣接する酸化層
等に含まれるものであっても構わない。すなわち、混合
層領域12bは、酸化層等との化合層とすることも考え
られる。ただし、この場合も、混合層領域12bの飽和
磁化は、自由層12を形成する強磁性体本来の飽和磁化
よりも増大していないものとする。
In the second example described above, the mixed layer region 12b is formed by exposing the free layer 12 to a predetermined atmosphere, but the mixed layer region 12b is formed.
The non-magnetic substance that forms the layer may be contained in the oxide layer or the like adjacent to the free layer 12. That is, the mixed layer region 12b may be a compound layer with an oxide layer or the like. However, also in this case, it is assumed that the saturation magnetization of the mixed layer region 12b is not higher than the original saturation magnetization of the ferromagnetic material forming the free layer 12.

【0034】続いて、TMR素子1の製造方法の第三例
について説明する。第三例では、自由層12の成膜後
に、その自由層12に対して異種原子またはイオンの打
ち込み処理を行うことによって混合層領域12bを形成
する。詳しくは、成膜後の自由層12の表面に、Ga
(ガリウム)イオン等を打ち込むことにより、その表面
の磁性を消失させ、あるいは著しく減少させる。なお、
打ち込み処理自体については、周知であるため、ここで
はその説明を省略する。
Next, a third example of the method of manufacturing the TMR element 1 will be described. In the third example, after the formation of the free layer 12, the mixed layer region 12b is formed by implanting different atoms or ions into the free layer 12. Specifically, on the surface of the free layer 12 after film formation, Ga
By implanting (gallium) ions or the like, the magnetism on the surface is lost or significantly reduced. In addition,
Since the driving process itself is well known, its description is omitted here.

【0035】このようにして形成される混合層領域12
bも、NiFe等の強磁性体とGaイオン等の非磁性物
質とが混合してなることから、その飽和磁化が強磁性体
単体における飽和磁化よりも小さくなる。したがって、
混合層領域12bの分だけ実質的に自由層12として機
能する厚さが減少することから、自由層12として成膜
する強磁性体の設計膜厚が3nm以上であっても、その
強磁性体全体の厚さから混合層領域12bの厚さを差し
引いた値が3nm以下であれば、膜の連続性を確保しつ
つ、実効的な自由層12の厚さが薄膜化されることにな
り、結果として自由層12の反転磁界の抑制が可能にな
ると言える。
The mixed layer region 12 thus formed
Since b is also a mixture of a ferromagnetic substance such as NiFe and a non-magnetic substance such as Ga ions, its saturation magnetization is smaller than that of the ferromagnetic substance alone. Therefore,
Since the thickness functioning as the free layer 12 is substantially reduced by the mixed layer region 12b, even if the designed film thickness of the ferromagnetic material formed as the free layer 12 is 3 nm or more, the ferromagnetic material If the value obtained by subtracting the thickness of the mixed layer region 12b from the total thickness is 3 nm or less, the effective thickness of the free layer 12 is reduced while securing the continuity of the film. As a result, it can be said that the switching field of the free layer 12 can be suppressed.

【0036】なお、上述した第一例〜第三例のいずれに
よっても混合層領域12bを形成することはできるが、
これらを適宜組み合わせて利用することも有効であるの
は言うまでもない。
Although the mixed layer region 12b can be formed by any of the above-mentioned first to third examples,
It goes without saying that it is effective to use these in combination as appropriate.

【0037】〔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〜図8は、Al酸化物からなる非磁性層13
上に、自由層12としてNiFe膜を種々の設計膜厚で
成長させ、さらに異種金属層としてTa膜を5nm程度
の厚さで積層した場合における、その自由層12の磁気
的な特性を調査した結果を示す説明図である。
[Characteristics of Magnetoresistive Element] Next, characteristics of the TMR element 1 manufactured as described above will be described. 6 to 8 show the non-magnetic layer 13 made of Al oxide.
Magnetic properties of the free layer 12 were investigated when a NiFe film was grown as the free layer 12 with various design thicknesses and a Ta film was stacked as the dissimilar metal layer with a thickness of about 5 nm. It is explanatory drawing which shows a result.

【0038】図6は、強磁性体であるNiFeの設計膜
厚に対し、振動試料型磁力計(VSM)により測定した
単位面積あたり飽和磁気モーメント(以下、単に「飽和
磁気モーメント」という)の値を示したものである。飽
和磁気モーメントは、磁性体の体積と、材料固有の飽和
磁化により決定されるため、理論的には膜厚と比例関係
にあるはずである。ところが、図例の測定結果による
と、次の二点において理論的な予測から外れた振る舞い
をしている。第一点は、設計膜厚が3nm程度以上のと
ころでは設計膜厚に対して飽和磁気モーメントが直線で
よく近似されているが、3nm以下では直線から大きく
ずれ、理論より低い飽和磁気モーメントになっているこ
とである。また、第二点は、3nm以上の厚膜側で近似
した直線が原点を通過せず正のx切片値をとることであ
る。
FIG. 6 shows the value of the saturation magnetic moment per unit area (hereinafter, simply referred to as "saturation magnetic moment") measured by a vibrating sample magnetometer (VSM) with respect to the designed film thickness of NiFe which is a ferromagnetic material. Is shown. Since the saturation magnetic moment is determined by the volume of the magnetic substance and the saturation magnetization peculiar to the material, it should theoretically be proportional to the film thickness. However, according to the measurement results shown in the figure, the following two points behave outside the theoretical prediction. The first point is that when the design film thickness is about 3 nm or more, the saturation magnetic moment is well approximated by a straight line with respect to the design film thickness. It is that. The second point is that a straight line approximated on the thick film side of 3 nm or more does not pass the origin and takes a positive x intercept value.

【0039】このうち、第一点については、図7により
さらに明確化されている。図7は、図6に示された飽和
磁気モーメントを設計膜厚で割ったものである。図例に
よれば、NiFeの設計膜厚3nm以上では、略一定の
飽和磁化を示しているが、それ以下では飽和磁化が低下
していることがわかる。
Of these, the first point is further clarified by FIG. FIG. 7 is the saturation magnetic moment shown in FIG. 6 divided by the design film thickness. According to the illustrated example, it can be seen that, when the NiFe design film thickness is 3 nm or more, the saturation magnetization is substantially constant, but below that, the saturation magnetization is reduced.

【0040】この第一点の異常が生じる要因としては、
図4(b)を用いて説明したような不連続な膜形成が挙
げられる。すなわち、NiFeの設計膜厚が3nm以下
では連続膜とならないため、そのNiFeが本来有する
はずの飽和磁化を示しておらず、これに伴って飽和磁気
モーメントも減少しているものと考えられる。この不連
続な膜形成の断面の様子を図5(b)に示す。このよう
な磁性層ができると、局所的にNiFeが極めて薄い、
あるいは存在しない部分が存在する確率が非常に高くな
り、TMR素子1としての動作に必要なトンネル磁気抵
抗効果が低下するおそれがあるため、実用上極めて好ま
しくない。
The cause of the abnormality of the first point is as follows.
The discontinuous film formation as described with reference to FIG. That is, since the continuous film is not formed when the design film thickness of NiFe is 3 nm or less, it does not show the saturation magnetization that NiFe originally should have, and it is considered that the saturation magnetic moment is also reduced accordingly. The state of the cross section of this discontinuous film formation is shown in FIG. When such a magnetic layer is formed, NiFe is extremely thin locally,
Alternatively, the probability that there is a nonexistent portion becomes very high, and the tunnel magnetoresistive effect necessary for the operation as the TMR element 1 may be reduced, which is extremely unpractical in practice.

【0041】また、第二点の異常が生じる要因は、十分
に厚い設計膜厚としても、隣接する層(例えば保護層1
5)との間に、いわゆるデッドレイヤと呼ばれる磁性を
著しく減少あるいは完全に消失させた領域、すなわち混
合層領域12bが形成されたためと考えられる(図5
(a)参照)。この混合層領域12bの厚さ分だけ設計
膜厚よりも差し引いた値を実効膜厚と呼ぶことにする
と、この実効膜厚が自由層12として有効に作用する厚
さ、すなわち反磁界に影響する磁性層厚さに相当する。
なお、このデッドレイヤの厚さは、図6における厚膜側
での近似直線のx切片に相当することになり、その具体
的な値は上述した製造方法(例えば第一例)により製造
されたるTMR素子1の場合、0.78nmであった。
The cause of the abnormality of the second point is that even if the design film thickness is sufficiently thick, the adjacent layer (for example, the protective layer 1)
It is considered that a region called so-called dead layer in which magnetism is remarkably reduced or completely eliminated, that is, the mixed layer region 12b is formed between (5) and (5).
(See (a)). When a value obtained by subtracting the thickness of the mixed layer region 12b from the design film thickness is called an effective film thickness, this effective film thickness effectively affects the free layer 12, that is, the demagnetizing field. It corresponds to the thickness of the magnetic layer.
The thickness of this dead layer corresponds to the x-intercept of the approximate straight line on the thick film side in FIG. 6, and its specific value is manufactured by the manufacturing method (for example, the first example) described above. In the case of TMR element 1, it was 0.78 nm.

【0042】さて、図8に示すのは、図6に示した飽和
磁気モーメントの値を実効膜厚で割り、これを実効膜厚
に対してプロットしたものである。この図によれば、実
効膜厚2.22nm(=3−0.78nm)までは、十
分にNiFeの磁性を示していることがわかる。
Now, FIG. 8 shows the value of the saturation magnetic moment shown in FIG. 6 divided by the effective film thickness and plotted against the effective film thickness. According to this figure, it can be seen that the NiFe magnetism is sufficiently exhibited up to an effective film thickness of 2.22 nm (= 3-0.78 nm).

【0043】これらのことから、本実施形態で説明した
TMR素子1については、以下のことが検証されたと言
える。すなわち、反磁界を抑えることを目的として、例
えば2nmのNiFeを製造するためには、設計膜厚を
2nmとするのではなく、上述したように、例えば3n
mといった所望の厚さよりも厚い設計膜厚とし、隣接層
との混合層領域12bの形成により実効膜厚を2nmに
近づけることが有効であることがわかる。しかも、混合
層領域12bの存在により実効膜厚を2.22nmとし
たNiFeを用いたTMR素子1においては、これ以上
の厚い実効膜厚を有するNiFeを用いた場合と同等の
トンネル磁気抵抗を示し、読み出し信号の点での実用上
の問題がないこともわかる。
From the above, it can be said that the following is verified for the TMR element 1 described in the present embodiment. That is, in order to manufacture NiFe of 2 nm for the purpose of suppressing the demagnetizing field, the designed film thickness is not set to 2 nm, but, for example, 3 n is used as described above.
It can be seen that it is effective to make the design film thickness thicker than the desired thickness such as m and to bring the effective film thickness close to 2 nm by forming the mixed layer region 12b with the adjacent layer. Moreover, the TMR element 1 using NiFe having an effective film thickness of 2.22 nm due to the existence of the mixed layer region 12b exhibits a tunnel magnetic resistance equivalent to that when NiFe having an effective film thickness larger than this is used. It can also be seen that there is no practical problem in terms of read signal.

【0044】したがって、本実施形態のTMR素子1に
よれば、自由層12の連続性を保ちつつ、その実効膜厚
の薄膜化が可能となるので、薄膜化への技術的な困難あ
るいは限界を伴うことなく反転磁界の抑制が可能とな
り、これによりMRAMを構成した際の低消費電力化も
実現可能となる。
Therefore, according to the TMR element 1 of the present embodiment, it is possible to reduce the effective thickness of the free layer 12 while maintaining the continuity of the free layer 12. It is possible to suppress the reversal magnetic field without being accompanied, and thus it is also possible to realize low power consumption when configuring the MRAM.

【0045】なお、ここでは、実効膜厚が2.22nm
である場合を例として説明したが、これが実効膜厚の下
限でないことは勿論であり、さらに自由層12と異種金
属層である保護層15(または下地層14)との組み合
わせやアニール処理の条件等を最適化することにより、
より薄い実効膜厚も実現可能である。
Here, the effective film thickness is 2.22 nm.
However, this is not the lower limit of the effective film thickness, and the combination of the free layer 12 and the protective layer 15 (or the underlayer 14) which is a dissimilar metal layer and the condition of the annealing treatment are not limited to the above. By optimizing
A thinner effective film thickness is also possible.

【0046】また、本実施形態においては、磁気抵抗効
果素子としてTMR素子を例に挙げて説明してきたが、
自由層と固定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、全く同様に適用可能であ
ることは言うまでもない。
In this embodiment, the TMR element has been described as an example of the magnetoresistive effect element.
It goes without saying that even if the non-magnetic layer between the free layer and the fixed layer is of the GMR type composed of Cu or the like, the same applies.

【0047】[0047]

【発明の効果】以上に説明したように、本発明において
は、膜の連続性と薄さとを両立させるために、先ず自由
層が連続となるのに十分な厚さまで成長させ、その自由
層の一部に混合層領域を形成することにより、実効的な
自由層厚さを低減させている。したがって、本発明によ
れば、薄膜化への技術的な困難あるいは限界を伴うこと
なく自由層における反転磁界の抑制が可能となり、これ
により磁気メモリ装置の低消費電力化も実現可能とな
る。
As described above, in the present invention, in order to achieve both the continuity and the thinness of the film, the free layer is first grown to a sufficient thickness to be continuous, and the free layer is By forming a mixed layer region in a part, the effective free layer thickness is reduced. Therefore, according to the present invention, it is possible to suppress the switching magnetic field in the free layer without any technical difficulty or limit to thinning, and thus it is possible to reduce the power consumption of the magnetic memory device.

【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】金属磁性材料の成膜状態を示す説明図であり、
(a)は理想的な層状成長をした場合の様子を示す図、
(b)は島状になった様子を示す図である。
FIG. 4 is an explanatory view showing a film formation state of a metal magnetic material,
(A) is a diagram showing a state in the case of ideal layered growth,
(B) is a figure which shows a mode that it became an island shape.

【図5】本発明が適用されたTMR素子の要部の構成例
を示す説明図であり、(a)はその膜構成を側断面によ
って示す図、(b)は比較例となる膜構成を示す図であ
る。
5A and 5B are explanatory views showing a configuration example of a main part of a TMR element to which the present invention is applied, FIG. 5A is a side sectional view showing the film configuration, and FIG. 5B is a film configuration as a comparative example. FIG.

【図6】強磁性体であるNiFeの設計膜厚の単位面積
あたり飽和磁気モーメントの測定結果の具体例を示す説
明図である。
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a specific example of the measurement result of the saturation magnetic moment per unit area of the designed film thickness of NiFe which is a ferromagnetic material.

【図7】図6に示す飽和磁気モーメントの測定結果を自
由層の設計膜厚で割った結果の具体例を示す説明図であ
る。
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a specific example of the result of dividing the measurement result of the saturation magnetic moment shown in FIG. 6 by the design film thickness of the free layer.

【図8】図6に示す飽和磁気モーメントの測定結果を自
由層の実効膜厚で割り、これを実効膜厚に対してプロッ
トした説明図である。
FIG. 8 is an explanatory diagram in which the measurement result of the saturation magnetic moment shown in FIG. 6 is divided by the effective film thickness of the free layer and plotted against the effective film thickness.

【図9】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. 9 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…固定層、12…自由層、12a
…金属磁性材料、12b…混合層領域、13…非磁性
層、14…下地層、15…保護層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... TMR element, 11 ... Fixed layer, 12 ... Free layer, 12a
... metallic magnetic material, 12b ... mixed layer region, 13 ... non-magnetic layer, 14 ... underlayer, 15 ... protective layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 Fターム(参考) 5F083 FZ10 GA05 JA60 PR36    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (72) Inventor Kazuhiro Oba             6-735 Kita-Shinagawa, Shinagawa-ku, Tokyo Soni             -Inside the corporation F term (reference) 5F083 FZ10 GA05 JA60 PR36

Claims (13)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 少なくとも強磁性の自由層、非磁性の非
磁性層および強磁性体の固定層が積層されてなる磁気抵
抗効果素子において、 前記自由層は、前記非磁性層側でない界面近傍に、強磁
性体と非磁性物質との混合層領域が形成されたものであ
ることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
1. A magnetoresistive effect element comprising at least a ferromagnetic free layer, a nonmagnetic nonmagnetic layer, and a ferromagnetic pinned layer, wherein the free layer is near an interface that is not on the nonmagnetic layer side. A magnetoresistive effect element, wherein a mixed layer region of a ferromagnetic material and a non-magnetic material is formed.
【請求項2】 前記混合層領域は、当該混合層領域を形
成する強磁性体自体の飽和磁化よりも小さい飽和磁化を
有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。
2. The magnetoresistive effect element according to claim 1, wherein the mixed layer region has a saturation magnetization smaller than a saturation magnetization of the ferromagnetic material itself forming the mixed layer region.
【請求項3】 前記混合層領域は、非磁性であることを
特徴とする請求項1記載の磁気抵抗効果素子。
3. The magnetoresistive effect element according to claim 1, wherein the mixed layer region is non-magnetic.
【請求項4】 前記混合層領域を形成する非磁性物質
は、金属材料からなるもの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。
4. The magnetoresistive effect element according to claim 1, wherein the non-magnetic substance forming the mixed layer region is made of a metal material.
【請求項5】 前記金属材料は、前記自由層の成長後に
積層された非磁性保護層の形成材料からなることを特徴
とする請求項4記載の磁気抵抗効果素子。
5. The magnetoresistive effect element according to claim 4, wherein the metal material is made of a material for forming a non-magnetic protective layer laminated after the growth of the free layer.
【請求項6】 前記金属材料は、前記自由層の成長前に
積層された非磁性下地層の形成材料からなることを特徴
とする請求項4記載の磁気抵抗効果素子。
6. The magnetoresistive effect element according to claim 4, wherein the metal material comprises a material for forming a non-magnetic underlayer laminated before the growth of the free layer.
【請求項7】 前記混合層領域を形成する非磁性物質
は、水素、酸素、窒素、塩素、硫黄、炭素、フッ素のう
ちのいずれか一つまたは複数の化合物からなるものであ
ることを特徴とする請求項1記載の磁気抵抗効果素子。
7. The non-magnetic material forming the mixed layer region is made of one or more compounds selected from hydrogen, oxygen, nitrogen, chlorine, sulfur, carbon and fluorine. The magnetoresistive effect element according to claim 1.
【請求項8】 前記自由層の厚さから前記混合層領域の
厚さを差し引いた値が3nm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。
8. The magnetoresistive effect element according to claim 1, wherein a value obtained by subtracting the thickness of the mixed layer region from the thickness of the free layer is 3 nm or less.
【請求項9】 少なくとも強磁性の自由層、非磁性の非
磁性層および強磁性体の固定層が積層されてなるの磁気
抵抗効果素子の製造方法であって、 前記自由層の前記非磁性層側でない側に、当該自由層を
形成する強磁性体と固溶体を形成しやすい非磁性物質を
隣接して成膜し、当該自由層の前記非磁性層側でない界
面近傍に前記強磁性体と前記非磁性物質との混合層領域
を形成することを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方
法。
9. A method of manufacturing a magnetoresistive element comprising at least a ferromagnetic free layer, a non-magnetic non-magnetic layer and a ferromagnetic pinned layer, wherein the non-magnetic layer of the free layer. On the side that is not the side, a ferromagnetic material that forms the free layer and a non-magnetic substance that easily forms a solid solution are formed adjacent to each other, and the ferromagnetic material and the ferromagnetic material are formed near the interface of the free layer that is not the non-magnetic layer side. A method of manufacturing a magnetoresistive effect element, which comprises forming a mixed layer region with a non-magnetic substance.
【請求項10】 前記自由層に隣接して非磁性物質を成
膜した後に加熱処理を行うことを特徴とする請求項9記
載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
10. The method of manufacturing a magnetoresistive element according to claim 9, wherein a heat treatment is performed after forming a nonmagnetic material adjacent to the free layer.
【請求項11】 少なくとも強磁性の自由層、非磁性の
非磁性層および強磁性体の固定層が積層されてなるの磁
気抵抗効果素子の製造方法であって、 前記自由層の成膜後に当該自由層を所定雰囲気中に晒
し、当該自由層の前記非磁性体層側でない界面近傍に強
磁性体と非磁性物質との混合層領域を形成することを特
徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。
11. A method of manufacturing a magnetoresistive effect element comprising at least a ferromagnetic free layer, a non-magnetic non-magnetic layer and a ferromagnetic fixed layer, which are laminated after the free layer is formed. A method of manufacturing a magnetoresistive element, characterized in that the free layer is exposed to a predetermined atmosphere, and a mixed layer region of a ferromagnetic material and a nonmagnetic material is formed in the vicinity of an interface of the free layer that is not on the nonmagnetic layer side. .
【請求項12】 少なくとも強磁性の自由層、非磁性の
非磁性層および強磁性体の固定層が積層されてなるの磁
気抵抗効果素子の製造方法であって、 前記自由層の成膜後に当該自由層に対して異種原子また
はイオンの打ち込み処理を行い、当該自由層の前記非磁
性層側でない界面近傍に強磁性体と非磁性物質との混合
層領域を形成することを特徴とする磁気抵抗効果素子の
製造方法。
12. A method of manufacturing a magnetoresistive effect element, comprising at least a ferromagnetic free layer, a non-magnetic non-magnetic layer and a ferromagnetic pinned layer, which are formed after the free layer is formed. A magnetoresistive device characterized in that a mixed layer region of a ferromagnetic substance and a nonmagnetic substance is formed in the vicinity of an interface of the free layer, which is not on the nonmagnetic layer side, by implanting different atoms or ions into the free layer. Method for manufacturing effect element.
【請求項13】 少なくとも強磁性の自由層、非磁性の
非磁性層および強磁性体の固定層が積層されてなる磁気
抵抗効果素子を具備し、前記自由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、 前記自由層は、前記非磁性層側でない界面近傍に、強磁
性体と非磁性物質との混合層領域が形成されたものであ
ることを特徴とする磁気メモリ装置。
13. A magnetoresistive element comprising at least a ferromagnetic free layer, a non-magnetic non-magnetic layer and a ferromagnetic pinned layer, wherein the change in the magnetization direction of the free layer is utilized. In the magnetic memory device configured to record information, the free layer has a mixed layer region of a ferromagnetic substance and a nonmagnetic substance formed in the vicinity of an interface which is not on the nonmagnetic layer side. Characteristic magnetic memory device.
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