JP2004006774A - Solid magnetic element and solid magnetic element array - Google Patents

Solid magnetic element and solid magnetic element array Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a new solid magnetic element that can be selected even when the element is arrayed, and to provide a solid magnetic element array formed by arraying the element. <P>SOLUTION: The solid magnetic element has a reference magnetic section A, a recording section W having a spin transfer intermediate section B composed of a nonmagnetic material and a recording magnetic section C which is magnetically softer than the magnetic section A, and a reproducing section R having the recording magnetic section C, an MR intermediate section D, and a reference magnetic section E. Writing is performed in the recording section W by means of a directly current-driven magnetization inverting mechanism and readout is performed in the reproducing section R by utilizing a magnetoresistive effect. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体磁気素子及び固体磁気素子アレイに関し、より詳細には、電流直接駆動型の記録と、磁気抵抗効果による再生が可能な固体磁気素子及び固体磁気素子アレイに関する。
【0002】
【従来の技術】
強磁性層/非磁性層/強磁性層からなる積層構造において面内に電流を流した場合に、巨大磁気抵抗効果(Giant Magnetoresistance effect)が発現することが見出されて以来、大きな磁気抵抗変化率を持つ系として、電流を積層構造に対して垂直方向に流すCPP(Current Perpendicular to Plane)型磁気抵抗効果素子や、非磁性層が絶縁体からなる強磁性トンネル磁気抵抗効果素子が開発された。
【0003】
さらに、より大きな磁気抵抗効果を示す系として、2つの針状のニッケル(Ni)を付き合わせた「磁気微小接点」( N. Garcia, M. Munoz, and Y. −W. Zhao, Physical Review Letters, vol.82, p2923 (1999))、あるいは2つのマグネタイトを接触させた磁気微小接点(J. J. Versluijs, M. A. Bari and J. M. D.Coey, Physical Review Letters, vol.87, p26601 −1 (2001 ) )を有する磁気抵抗効果素子が見出された。
【0004】
これらの磁気抵抗効果素子は、磁気センサーや磁気記録再生システムの再生素子として用いるだけでなく、不揮発性の固体磁気メモリとしての展開が進められている。
【0005】
磁気抵抗効果素子を固体磁気素子として用いた場合、書き込みは、磁気抵抗効果素子の近傍に設けられた配線から印加する電流磁界という漏れ磁場に依っている。しかし、この場合、記録のための磁化反転を起こすに必要な電流が、数ミリアンペア以上と大きすぎるという欠点があった。
【0006】
これに対して、記録磁性部に直接電流を流すことで記録のための磁化反転を起こす「電流直接駆動型磁化反転」が見出された(J. C. Slonczewski, J. Magn. Magn. Mater. 159, L1 (1996). E. B. Myers, et al., Science 285, 867 (1999). J. A. Katine, et al., Phys. Rev. Lett. 14, 3149 (2000). F. J. Albert, et al., Appl. Phy. Lett. 77, 3809 (2000). J. −E. Wegrowe, et al., Europhys. Lett., 45, 626 (1999). J. Z. Sun, J. Magn. Magn. Mater. 202, 157 (1999).)。
【0007】
この現象は、参照磁性部あるいは周囲の磁性層を通過する際にスピン偏極した電流が流れることにより発生するスピン偏極電子の角運動量が、記録磁性部の角運動量に伝達されることで磁化反転するものである。この現象によれば、記録層に対して、より直接的に作用させることが可能であるため、記録時の磁化反転に必要な電流は減少するものと期待されている。
【0008】
以上の直接通電型の磁気記録素子と磁気抵抗素子とはこれまで別のものであった。しかし、それらを組み合わせると、記録再生を一つの素子で扱うことができ、素子の微細化に寄与と予想される。
【0009】
しかしながら、記録磁性部を含む記録部の電気抵抗は極めて小さい。このため、記録部に比べて抵抗の大きな磁気抵抗効果部と組み合わせて動作させることは難しい。また、記録部の電気抵抗が小さいため、特に素子をアレイ化した場合の素子選択は困難である。
【0010】
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものであり、その目的は、アレイ化しても素子選択可能な新規な固体磁気素子及びこの素子をアレイ化した固体磁気素子アレイを提供することにある。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
電流直接駆動型磁化反転を利用した磁気素子は、低電流化が期待されるものの、電気抵抗が小さいためにアレイ化した場合に素子選択することが難しいという問題を有する。
【0012】
電流直接駆動型磁化反転を利用した磁気素子は、低電流化が期待されるものの、電気抵抗が小さい。このため、抵抗が記録部に比べて大きくなる磁気抵抗効果部との組み合わせが難しい。また、アレイ化した場合に素子選択することが難しいという問題を有する。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の第1の固体磁気素子は、
磁化方向が第1の方向に固着された第1の強磁性体を含む第1の参照磁性部と、
磁化方向が第2の方向に固着された第2の強磁性体を含む第2の参照磁性部と、
前記第1及び第2の参照磁性部の間に設けられ、第3の強磁性体を含む記録磁性部と、
前記第1の参照磁性部と前記記録磁性部との間に設けられたスピントランスファ中間部と、
前記第2の参照磁性部と前記記録磁性部との間に設けられたMR中間部と、
を備え、
前記第1の参照磁性部と前記記録磁性部との間で書き込み電流を流すことにより、前記第3の強磁性体の磁化を前記第1の方向と略平行または略反平行な向きに向け、
前記第2の参照磁性部と前記記録磁性部との間でセンス電流を流すことにより、前記第2の方向に対する、前記第3の強磁性体の磁化の向きの相対的な関係を検出可能としたことを特徴とする。
【0014】
また、本発明の第2の固体磁気素子は、
磁化方向が第1の方向に固着された第1の強磁性体を含む第1の参照磁性部と、
磁化方向が第2の方向に固着された第2の強磁性体を含む第2の参照磁性部と、
前記第1及び第2の参照磁性部の間に設けられたMR中間部と、
前記第1の参照磁性部と前記MR中間部との間に設けられ、第3の強磁性体を有する第1の記録磁性部と、
前記第2の参照磁性部と前記MR中間部との間に設けられ、第4の強磁性体を有する第2の記録磁性部と、
前記第1の参照磁性部と前記第1の記録磁性部との間に設けられた第1のスピントランスファ中間部と、
前記第2の参照磁性部と前記第2の記録磁性部との間に設けられた第2のスピントランスファ中間部と、
を備え、
前記第1の参照磁性部と前記第1の記録磁性部との間で書き込み電流を流すことにより、前記第3の強磁性体の磁化を前記第1の方向と略平行または略反平行な向きに向け、
前記第2の参照磁性部と前記第2の記録磁性部との間で書き込み電流を流すことにより、前記第4の強磁性体の磁化を前記第2の方向と略平行または略反平行な向きに向け、
前記第1の記録磁性部と前記第2の記録磁性部との間でセンス電流を流すことにより、前記第3の強磁性体と前記第4の強磁性体の磁化の向きの相対的な関係を検出可能としたことを特徴とする。
【0015】
一方、本発明の固体磁気素子アレイは、
請求項1記載の複数の固体磁気素子と、
前記複数の固体磁気素子の任意のいずれかを選択し前記書き込み電流または前記センス電流を流す選択手段と、
を備えたことを特徴とする。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
【0017】
図1は、本発明の第1の実施の形態にかかる固体磁気素子の基本的な断面構造を例示する模式図である。この磁気素子は、電流により直接に書き込みを行う記録部Wと、磁気抵抗効果により読み込みを行う再生部Rとを有する。記録部Wと再生部Rは、記録層Cを共有している。
【0018】
すなわち、記録部Wは、ハード磁性体からなる参照磁性部Aと、非磁性体からなるスピントランスファ中間部Bと、参照磁性部Aよりも磁気的にソフトな記録磁性部Cとが積層された構造を有する。一方、再生部Rは、記録磁性部Cと、MR中間部Dと、記録磁性部Cよりも磁気的にハードな磁性体からなる参照磁性部Eとを有する。
【0019】
参照磁性部A、記録磁性部C、参照磁性部Eには、それぞれ電極E1、E2、E3が接続されている。MR中間部Dは、導電性金属および/あるいは絶縁体からなる。
【0020】
電極の取り出し方向は図1において横方向の場合と上下方向の場合があるが、これらは便宜上であり、そのどちら、あるいは斜め方向でもよい。これは、以後の全ての図に共通である。
【0021】
図1に表した固体磁気素子において、「書き込み」は、記録部Wにおいて、電流直接駆動型の磁化反転機構により行うことができる。つまり、スピン偏極電流によって、記録磁性部Cの磁化を反転させる。
【0022】
図2は、本発明の固体磁気素子における記録部Wの動作を説明する模式図である。
【0023】
すなわち、まず同図(a)に表したように、参照磁性部Aから記録磁性部Cに向けて電子電流を流すと、記録磁性部Cに対して、参照磁性部Aの磁化M1と同方向の書き込みができる。つまり、この方向に電子電流を流した場合、電子のスピンはまず、参照磁性部Aにおいてその磁化M1の方向に応じて偏極される。そして、このようにスピン偏極された電子が記録磁性部Cに流入して、その磁化M2を参照磁性部Aの磁化M1と同方向に反転させる。
【0024】
これに対して、図2(b)に表したように、記録磁性部Cから参照磁性部Aに向けて電子電流を流すと、これとは逆方向に書き込むことができる。すなわち、参照磁性部Aの磁化M1と対応したスピン電子は、参照磁性部Aを容易に通過できるのに対して、磁化M1と逆方向のスピン電子は、スピントランスファ中間部Bと参照磁性部Aとの界面において、高い確率で反射される。そして、このように反射されたスピン偏極電子が記録磁性部Cに戻ることにより、記録磁性部Cの磁化M2を、参照磁性部M1とは逆の方向に反転させる。
【0025】
このように、本発明においては、スピン偏極電流による電流直接駆動型の磁化反転機構によって、記録磁性部Cに所定の磁化を書き込むことができる。このため、漏洩電流磁界により記録層を磁化反転させる従来の記録素子と比較して、記録時の磁化反転に必要な電流を減少させることが可能となる。
【0026】
一方、本実施形態の固体磁気素子における「読み出し」は、再生部Rにおいて、磁気抵抗効果により行うことができる。
【0027】
図3は、本実施形態の固体磁気素子における再生部Rの動作を説明する模式図である。
【0028】
すなわち、同図(a)に表したように、記録磁性部Cの磁化M2と参照磁性部Eの磁化M3とが平行の場合、同図に矢印で表した方向(あるいはこれと逆の方向でもよい)にセンス電流を流して得られる抵抗は小さい。
【0029】
一方、図3(b)に表したように、記録磁性部Cの磁化M2と参照磁性部Eの磁化M3とが反平行の場合、抵抗は大きくなる。従って、これら抵抗出力に対応して、「0」レベルと「1」レベルとを割り当てることにより、2値情報の再生ができる。
【0030】
本発明においては、再生部Rにおいて磁気抵抗効果により記録磁性部Cの磁化を高い感度で再生することが可能となる。またさらに、後に詳述するように、MR中間部Dの材料や構造を適宜工夫することにより、センス電流を流す再生部の電気抵抗を最適なレベルまで高くすることができる。その結果として、特に、素子をアレイ化したような場合の素子選択が容易となり、この固体磁気素子を集積化させたメモリ素子あるいは論理回路などを実現できる。
【0031】
次に、本発明の固体磁気素子を構成する各要素について詳述する。
【0032】
まず、参照磁性部A及びEと、記録磁性部Cの材料としては、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、または、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)及びクロム(Cr)よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む合金、「パーマロイ」と呼ばれるNiFe系合金、あるいはCoNbZr系合金、FeTaC系合金、CoTaZr系合金、FeAlSi系合金、FeB系合金、CoFeB系合金などの軟磁性材料、ホイスラー合金、磁性半導体、CrO、Fe、La1―XSrMnOなどのハーフメタル磁性体酸化物(あるいはハーフメタル磁性体窒化物)のいずれかを用いることができる。
【0033】
ここで「磁性半導体」としては、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)の少なくともいずれかの磁性元素と、化合物半導体または酸化物半導体とからなるものを用いることができ、具体的には、例えば、(Ga、Cr)N、(Ga、Mn)N、MnAs、CrAs、(Ga、Cr)As、ZnO:Fe、(Mg、Fe)Oなどを挙げることができる。
【0034】
本発明においては、磁性層A、C及びEの材料として、これらのうちから用途に応じた磁気特性を有するものを適宜選択して用いればよい。
【0035】
また、これら磁性層に用いる材料としては、連続的な磁性体でもよく、あるいは非磁性マトリクス中に磁性体からなる微粒子が析出あるいは形成されている複合体構造を用いることもできる。
【0036】
また、特に記録磁性部Cとして、[(CoあるいはCoFe合金)/(NiFeあるいはNiFeCoからなるパーマロイ合金あるいはNi)]からなる2層構造、あるいは[(CoあるいはCoFe合金)/(NiFeあるいはNiFeCoからなるパーマロイ合金あるいはNi)/(CoあるいはCoFe合金)]からなる3層構造を用いることもできる。これらの多層構造からなる磁性層の場合、外側のCoあるいはCoFe合金の厚さは0.2nmから3nmの範囲であることが好ましい。このような多層構造を採用することによって、録に必要な電流を下げることができる。
【0037】
またさらに、記録磁性部Cとして、層間交換結合した[(パーマロイやCoFeなどの磁性層)/(Cu,Ruなどの非磁性層(厚さ0.2nm以上3nm以下))/(パーマロイやCoFeなどの磁性層)]からなる3層膜、特に反強磁性的に層間交換結合した多層膜も、記録磁性部ユニットとして用いることができ、スイッチング電流やスイッチング磁界を小さくするために効果的である。
【0038】
一方、参照磁性部Aの磁化M1、あるいは参照磁性部Eの磁化M3を固着するために、参照磁性部A、Eのそれぞれ外側に、図示しない反強磁性層を設けて交換バイアスを印加するとよい。あるいは、ルテニウム(Ru)や銅 (Cu)などの非磁性層と強磁性層、そして反強磁性層を積層して交換バイアスを印加すると、磁化方向を制御できて、磁気抵抗効果の大きな信号出力を得るのに有用である。特に、反強磁性的に層間交換結合させた(CoFeなどの磁性層)/(Cu,Ruなどの非磁性層)/(CoFeなどの磁性層)/反強磁性層を用いることで、参照層からの漏れ磁場も小さくでき、小さな電流で記録磁性部への書きこみができる。
【0039】
そのための反強磁性材料としては、鉄マンガン(FeMn)、白金マンガン(PtMn)、パラジウム・マンガン(PdMn)、パラジウム白金マンガン(PdPtMn)などを用いることが望ましい。
【0040】
記憶層および参照層を多層化した例として、反強磁性結合した多層膜を使用した固体磁気素子の断面を図4に例示する。同図に例示したように、固体磁気素子の参照磁性部A、スピントランスファ中間部B、記録磁性部C、MR中間部D、参照磁性部Eをそれぞれ、反強磁性体膜AF、強磁性体F、非磁性体膜NM、を組み合わせて形成することができる。なお、図4には、強磁性体Fの磁化の方向も矢印で表した。
【0041】
また一方、スピントランスファ中間部Bは、参照磁性部Aと記録磁性部Cと間で磁区を分断する役割を有する。さらに、スピントランスファ中間部Bは、スピン偏極電子の通路としての役割も有する。その構成としては、▲1▼Cu,Ag,Auなどの非磁性貴金属元素のいずれか、あるいはこの郡から選択された少なくともいずれかの元素を含む金属あるいは、▲2▼参照磁性部あるいは(and/or)記録磁性部と同じ磁性体の構成元素からなり、しかし結晶欠陥等の結晶変質を含み、あるいは表面凹凸が設けられて磁壁がトラップされるように形成されている。この結晶欠陥は、電子線照射やイオン照射で作ることができる。また表面凹凸は、細線にくびれを設けるなどして作ることができる。
【0042】
なお、スピントランスファ中間部Bの材料としては、例えば、Cu,Ag,Auなどの低抵抗材料を用いることがさらに望ましい。
【0043】
また一方、MR中間部Dの材料としては、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、シリコン(Si)及び鉄(Fe)よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む酸化物あるいは窒化物、フッ化物からなる絶縁体を用いることができる。または、MR中間部Dの材料としては、銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)あるいはこれらのいずれか一種以上を含む合金を用いることもできる。
【0044】
再生部の素子抵抗を高くするためには、MR中間部Dの材料として絶縁性の材料を用いることが有利である。
【0045】
参照磁性部A及びEの厚さは、0.6nm〜100nmの範囲内とすることが好ましく、記録磁性部Cの厚さは、0.2nm〜50nmの範囲内とすることが好ましい。また、スピントランスファ中間部Bの厚さは、0.2nm〜100nmの範囲内とすることが望ましい。さらに、MR中間部Dは、0.2nm〜10nmの範囲内とすることが望ましい。
【0046】
また一方、記録磁性層Cと参照磁性層E及びMR中間部Dは、薄膜状あるいは細線状に形成することが、素子を製作する上で望ましい。
【0047】
一方、本発明の固体磁気素子の平面形状としては、例えば、記録磁性部Cの平面形状が、長方形、菱形あるいは縦長(横長)の6角形であるように形成することが望ましい。その縦横比は、1:1〜1:5の程度とし、一軸性の形状磁気異方性を生じやすくすることが望ましい。
【0048】
また記録磁性部Cのサイズは、長手方向の一辺が5nmから1000nm程度の範囲内とすることが望ましい。図1などにおいては、参照磁性部A、Eと、記録磁性部Cの幅を同一として表したが、本発明はこれには限定されない。すなわち、配線の接続のため、あるいは磁化方向の制御のために、図5に例示したように固体磁気素子の各層の幅が互いに異なるように形成してもよい。
【0049】
図6は、本実施形態の固体磁気素子の変型例を表す模式断面図である。同図については、図1乃至図5に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【0050】
これら変型例は、いずれも、そのMR中間部Dに「ポイントコンタクト」すなわち、接触面積が100nm2以下の磁性微小接点Pが設けられている。この磁性微小接点Pは、参照磁性部Eあるいは記録磁性部Cの材料からなり、MR中間部Dにおいてその周囲は絶縁体により覆われている。
【0051】
そして、この磁気微小接点Pは、図6(a)に例示した如くコーン状の断面を有していてもよく、あるいは同図(b)に例示した如くピラー状の断面を有していてもよい。またさらに、同図(c)及び(d)に例示した如く、複数の磁気微小接点Pが設けられていてもよい。
【0052】
このような磁気微小接点Pのサイズを微細化すると、磁場の印加により電気抵抗が減少する。このような電気抵抗の減少が発現するサイズは、微小接点Pの断面形状にもよるが、本発明者の検討の結果によれば、微小接点Pの最大幅を概ね20nm以下とすると、電気抵抗の減少が顕著となることが判明した。このときに、磁気抵抗変化率が20%以上となる大きな磁気抵抗効果が発生する。ただし、微小接点Pの断面形状が、極端に扁平な場合などは、その最大幅が20nmを超えても、磁場の印加による電気抵抗の減少が生ずる場合がある。このような微小接点Pを有する固体磁気素子も、本発明の範囲に包含される。
【0053】
すなわち、このような磁気微小接点Pを設けることにより、再生部Rにおいて、記録磁性部Cの磁化を極めて高い感度で読み出すことが可能となる。
【0054】
また、このような磁気微小接点Pを設ける場合、MR中間部Dにおいて微小接点Pの周囲の材料は、絶縁性の材料により形成し、また、MR中間部Dの膜厚は、0.2nm〜1000nm程度の範囲まで厚膜化してもよい。
【0055】
また、この磁性微小接点Pは、参照磁性部Eあるいは記録磁性部Cの材料からなるもの以外に、銅(Cu)からなるものとしてもよい。この場合には、コンタクト部が銅(Cu)からなり、その周りはアルミニウム(Al)等の酸化物からなるものとすることができる。このようにすると、電流パスを狭くできるので、通常のCPP−MRよりも感度を上げることができる。
【0056】
図7(a)は、本実施形態の固体磁気素子のもうひとつの変型例を表す模式断面図である。同図については、図1乃至図6に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【0057】
本変型例においては、MR中間部Dの上下に記録磁性部C及び参照磁性部Eがそれぞれ積層されているが、図1においてその上側に積層して設けられるスピントランスファ中間部Bと、さらにその上に積層して設けられる参照磁性部Aは、それぞれ、面内方向に隣接されている。つまり、スピントランスファ中間部Bと、参照磁性部Aは、記録磁性部Cに対して、膜厚方向に積層されずに、面内方向に隣接して設けられている。
【0058】
固体磁気素子の各層をこのような配置関係に配列しても、図2に関して前述したスピン偏極電流による入力動作や、図3に関して前述した磁気抵抗効果による出力動作は、同様に行うことができる。
【0059】
またここで、MR中間部Dは、単一の絶縁層として形成してもよいが、図6に例示したように、ひとつあるいは複数の磁気微小接点Pを設けることにより、図6に関して前述した作用効果を同様に得ることができる。
【0060】
図7(b)は、図7(a)の固体磁気素子の使用形態を例示する模式図である。すなわち、電極E1をスイッチング素子SWに接続し、電極E2を書き込み配線に接続し、電極E3を読み出し配線に接続する。スイッチング素子SWをオンにした状態でスイッチング部SWから書き込み配線に至る経路に書き込み電流を流すことにより記録できる。また、スイッチング素子SWをオンにした状態でスイッチング部SWから読み出し配線に至る経路にセンス電流を流すことにより読み出しができる。
【0061】
なお、図1乃至図7において、同一素子内の参照記録層の磁化方向は同じ向きに表したが、これはあくまで一例であり、これらが互いに反平行、あるいは90度傾いていてもよい。
【0062】
以上、図1乃至図7を参照しつつ説明したように、本発明の固体磁気素子は、記録部Wにおいて、スピン偏極電流により小さい書き込み電流で記録磁性部Cに磁化M2を書き込むことができ、また、再生部Rにおいて、磁気抵抗効果を用いて高い感度で記録磁性部Cの磁化M2を読み出すことができる。しかも、再生部Rのインピーダンスすなわち素子抵抗を最適な範囲まで高くすることができ、アレイ化あるいは集積化が容易である、という利点を有する。
【0063】
そこで、次に、この固体磁気素子をアレイ化した構造について説明する。
【0064】
図8は、本発明の実施の形態にかかる固体磁気素子アレイを構成するセルの等価回路を表す模式図である。すなわち、本発明の素子アレイのセルは、図1乃至図7に関して前述した固体磁気素子10と、この素子を選択して電流を流すためのスイッチング部20とを有する。固体磁気素子10は、前述のように、電流を流して書き込みを行う記録部Wと、記録部Wの記録磁性部Cを共有して磁気抵抗効果により読み込みを行う再生部Rとを有する。
【0065】
そして、再生部Rとスイッチング部20との間に記録部Wが設けられ、再生部Rと記録部Wとの間に書き込み用配線WL2が接続されている。この構造によれば、スイッチング部20をON(オン)してb−c間に電流を流すことで書き込みが可能となり、また、スイッチング部をON(オン)にしてa−c間に電流を流し、a−c間の抵抗(電圧)を検出することで再生を行うことができる。つまり、bは書き込み用配線WL2に接続されている。
【0066】
この接続関係は、再生部Rの抵抗に比べて記録部Wの抵抗が小さいことから考案した。すなわち、記録部Wと再生部Rの位置関係が図8に表した関係とは逆になると、再生部Rの大きな抵抗により書き込み時に記録部Wに磁化反転に十分な電流を流せなくなる。これを回避するため、再生部Rとスイッチング部20の間に記録部Wを設け、再生部Rと記録部Wとの間に書き込み用配線WL2を接続する。このようにすると、書き込みと読み出しのためのセルの選択を、ひとつのスイッチング部20により行うことが可能となり、集積化した場合の構成を大幅に簡略にすることができる。
【0067】
図9は、本発明の実施の形態にかかる固体磁気素子アレイの一部を表す模式回路図である。すなわち、この素子アレイは、例えば、磁気メモリとして用いることができ、図8に例示したセルをマトリクス状に接続した構造を有する。そして、図8に表した書き込み用配線WL2の他に、これに平行な再生用配線WL1、そしてこれに直交するセル選択のための配線BL1という3本の配線をセル間で共有する。
【0068】
この構造によれば、指定されたセルの番地に対応するワード線(WL1、WL2)とビット線(BL1)とを使って、任意のセルを選択した書き込みおよび再生が可能となる。
【0069】
図10は、本発明の実施の形態にかかる固体磁気素子アレイのもうひとつの具体例を表す模式回路図である。この具体例も磁気メモリとして用いることができる。
【0070】
本具体例の場合、再生部Rにはスイッチング部20Aが接続され、記録部Wにはスイッチング部20Bが接続されている。そして、再生部Rと記録部Wとの間に書き込み用配線WL1が接続されている。スイッチング部20Aは、配線BL1によりON(オン)され、スイッチング部20Bは、配線BL2によりON(オン)される。
【0071】
このアレイの場合には、スイッチング部20Aと配線WL1とにより任意のセルの再生部Rを選択して読み出しを行い、一方、スイッチング部20Bと配線WL1とにより任意のセルの記録部Wを選択して書き込みを行うことができる。 以上、本発明の第1の実施の形態として、図1乃至図10に例示した固体磁気素子及びその応用例について説明した。
【0072】
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。
【0073】
図11は、本発明の第2の実施の形態にかかる固体磁気素子の断面構造を表す模式図である。
すなわち、本実施形態の固体磁気素子は、中央部に再生部Rを有し、その両側に記録磁性部をそれぞれ共有するように2つの記録部W1、W2を有する。
【0074】
その積層構造について説明すると、参照磁性部A、スピントランスファ中間部B、記録磁性部C、MR中間部D、記録磁性部E、スピントランスファ中間部F、参照磁性部Gがこの順に積層された構造を有する。そして、参照磁性部Aとスピントランスファ中間部Bと記録磁性部Cとにより記録部W1が構成され、記録磁性部CとMR中間部Dと記録磁性部Eとにより再生部Rが構成され、記録磁性部Eとスピントランスファ中間部Fと参照磁性部Gとにより記録部W2が構成されている。
【0075】
これら各層の材料や膜厚、サイズなどについては、第1実施形態に関して前述したものと同様とすることができる。
【0076】
その動作について説明すると、まず書き込みは、電極E1−E2間に電流を流すことで記録磁性部Cの磁化反転を行って記録磁性部Cへの書き込みを行い、電極E3−E4間に電流を流すことで記録磁性部Eの磁化反転を行って記録磁性部Eへの書き込みを行う。これらの書き込みのメカニズムは、図2に関して前述したものと同様に、スピン偏極電流を用いた電流直接駆動型の磁化反転機構による。
【0077】
一方、再生は、電極E2−E3間にセンス電流を流すことにより、記録磁性部CとEの間の磁化の相対的角度を磁気抵抗として検出する。そのメカニズムは、図3に関して前述したものと同様である。
【0078】
以上説明したように、本実施形態の固体磁気素子は、2つの記録磁性部にそれぞれ独立に情報を格納することができる。
【0079】
図12は、本実施形態の固体磁気素子の変型例を表す模式断面図である。同図については、図11に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【0080】
すなわち、これら変型例は、図6に例示した素子と同様に、ポイントコンタクトすなわち磁気微小接点Pを有する。前述したように、このような微小接点Pを設けることにより、高い磁気抵抗変化率を得ることができ、記録磁性部C及びEに記録された磁化を極めて高い感度で読み出すことが可能となる。
【0081】
なお、図11及び図12において、同一素子内の参照記録層の磁化方向は同じ向きに表したが、これはあくまで一例であり、これらが互いに反平行、あるいは90度傾いていてもよい。
【0082】
図13(a)は、本実施形態の固体磁気素子のもうひとつの変型例を表す模式断面図である。同図については、図1乃至図12に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【0083】
本変型例においても、MR中間部Dの上下に記録磁性部C及びEがそれぞれ積層されているが、スピントランスファ中間部B、Fと、参照磁性部A、Gは、記録磁性部C、Eに対して、膜厚方向に積層されずに、それぞれ面内方向に隣接して設けられている。そして、電極E1が参照磁性部Aに接続され、電極E2が記録磁性部Cに接続され、電極E3が記録磁性部Eに接続され、電極E4が参照磁性部Gに接続されている。
【0084】
固体磁気素子の各層をこのような配置関係に配列しても、図2に関して前述したスピン偏極電流による入力動作や、図3に関して前述した磁気抵抗効果による出力動作は、同様に行うことができる。
【0085】
またここで、MR中間部Dは、単一の絶縁層として形成してもよいが、図6や図12に例示したように、ひとつあるいは複数の磁気微小接点Pを設けることにより、図6及び図12に関して前述した作用効果を同様に得ることができる。
【0086】
図13(b)は、図13(a)の固体磁気素子の使用形態を例示する模式図である。すなわち、電極E1、E4をスイッチング素子SW1、SW2にそれぞれ接続し、電極E2、E3を書き込み配線1、2にそれぞれ接続する。スイッチング素子SW1をオンにした状態でスイッチング部SW1から書き込み配線1に至る経路に書き込み電流を流すことにより記録磁性部Cの磁化を所定の方向に向けて記録できる。また、スイッチング素子SW2をオンにした状態でスイッチング部SW2から書き込み配線2に至る経路に書き込み電流を流すことにより記録磁性部Eの磁化を所定の方向に向けて記録できる。
【0087】
図14は、本実施形態の固体磁気素子のもうひとつの変型例を表す模式断面図である。すなわち、同図(a)は、その平面図であり、同図(b)はその正面図である。同図についても、図1乃至図13に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【0088】
本変型例においては、参照磁性部A、スピントランスファ中間部B、記録磁性部C、スピントランスファ中間部H、参照磁性部Iがこの順に、略同一平面内に配置されている。そして、記録磁性部Cの上に、MR中間部Dが積層され、その上に参照磁性部Eが積層されている。
【0089】
MR中間部Dの大きさは、記録磁性部Cと参照磁性部Eとの重なり部と同じかそれ以上であることが必要である。従って、MR中間部Dは、記録磁性部Cの全体を覆っても、またさらにスピントランスファ中間部Bまで覆っても、電極E1とE2が接続できればよい。
【0090】
また、参照磁性部Iの磁化方向は参照磁性部Aとは反平行であることが望ましい。電極E2は参照磁性部Iに接続されている。2つのスピントランスファ中間部B及びHにより、参照磁性部Aと記録磁性部C、あるいは記録磁性部Cと参照磁性部Iの磁化方向をそれぞれ反平行に向けることが可能となる。
【0091】
これに電極E1とE2を使って、電子をE1からE2へ流すと、記録磁性部Cの磁化は参照磁性部Aと同様の方向に向く。逆に、電子を電極E2から電極E1へ流すと、記録磁性部Cの磁化は参照磁性部Iと同様の向きとなる。
【0092】
スイッチング部、書きこみ配線、読みだし配線をそれぞれE1、E2,E3へ接続すると、図7(b)に関して前述したものと同様の動作が可能となる。
【0093】
図15は、本実施形態の固体磁気素子のもうひとつの変型例を表す模式断面図である。すなわち、同図(a)は、その平面図であり、同図(b)はその正面図である。同図についても、図1乃至図14に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【0094】
本変型例においては、参照磁性部A、スピントランスファ中間部B、記録磁性部C、スピントランスファ中間部H、参照磁性部Iがこの順に、略同一平面内に配置されている。そして、記録磁性部Cの上に、MR中間部Dが積層され、その上に記録磁性部Eが積層されている。
記録磁性部Eの両側には、それぞれスピントランスファ中間部F、Jを介して、参照磁性部G、Kが略同一面内に配列されている。MR中間部Dの大きさは、記録磁性部Cと記録磁性部Eとの重なり部と同じかそれ以上であることが必要である。
【0095】
また、本具体例においても、参照磁性部Gの磁化方向は参照磁性部Kの磁化方向とは反平行であることが望ましい。2つのスピントランスファ中間部B及びHにより、参照磁性部Aと記録磁性部C、あるいは記録磁性部Cと参照磁性部Iの磁化方向をそれぞれ反平行に向けることが可能となる。また同様に、2つのスピントランスファ中間部F及びJにより、参照磁性部Gと記録磁性部E、あるいは記録磁性部Eと参照磁性部Kの磁化方向をそれぞれ反平行に向けることが可能となる。
【0096】
図16は、本実施形態の固体磁気素子を用いた固体磁気素子アレイの模式回路図である。この固体磁気素子アレイは、図11または図12に表した固体磁気セルとこのセルを選択して電流を流すための2つのスイッチング部30A、30Bからなるセルが、マトリクス状に接続された構造を有する。これらセルは、2つのスイッチング部30A、30Bにそれぞれに接続された2本のビット線BL1とBL2、再生部Rと2つの記録部W1、W2との間に接続されたワード線WL1とWL2、さらには一方のスイッチング部に接続されたワード線WL3に接続されている。
【0097】
書き込みは、次のようにして行う。まず、記録部W1の記録磁性部Cに書き込む場合には、スイッチング部30AをON(オン)にしてこのスイッチング部30Aの一端(図では下端)と配線WL1とに電流を流して書き込みを行う。また、記録部W2の記録磁性部Eへの書き込みは、スイッチング部30BをON(オン)にし、ワード線WL2とWL3に電流を流して書き込む。
【0098】
一方、再生は、3通りの方法で可能である。
【0099】
第1の方法としては、2つのスイッチング部30A、30BをON(オン)して、スイッチング部30Aの下端(図16において)とワード線WL3との間の磁気抵抗を検出する。
【0100】
第2の方法としては、スイッチング部30AのみON(オン)し、スイッチング部30Aの下端(図16において)とワード線WL2との間の磁気抵抗を検出する。
【0101】
第3の方法としては、スイッチング部30BのみON(オン)し、ワード線WL1とWL3との間の磁気抵抗を検出する。
【0102】
上記いずれの場合も、記録磁性部C、Eの抵抗が小さいので、再生部Rの抵抗を検出することができる。
【0103】
【実施例】
以下、実施例を参照しつつ、本発明の実施の形態についてさらに詳細に説明する。
【0104】
(第1の実施例)
まず、本発明の第1の実施例として、第1の実施形態の固体磁気素子を製作した。
【0105】
図17(a)及び(b)は、本実施例の固体磁気素子の要部断面構造を表す模式図である。
【0106】
これらの積層構造は、超高真空スパッタ装置を用いて作製した。まず、通常のCMOSプロセスによりSiウエハ上にFETを形成したものを基盤とした。その上に、タンタル(Ta)と銅(Cu)からなる下側電極膜(図示せず)を形成し、図17(a)及び(b)の積層膜を、図とは上下反対の順で形成し、さらに上部電極層を形成した。この積層膜の上にEB(electron beam)レジストを塗布してEB露光し、リフトオフすることにより、積層膜をまず60nm×240nmのサイズへ加工したのち、さらにEB描画、リフトオフを用いて、微小積層膜の一部を記録層が出るまで除去して図1に表した構造を作製した。さらに、それぞれの電極は、図9に表したように読み込み用および書きこみ用ワード線とFETに接続した。
【0107】
この固体磁気素子に対して、スイッチング用トランジスタをON(オン)にしてまず、マイナス3mA(ミリアンペア)のパルス電流をb−c間に流して磁化を初期化したのち、プラスの符号をもつパルス電流を流し、記録磁性部Cの磁化反転をa−c間の磁気抵抗変化により検出した。その結果、図17(a)、(b)ともにb−c間にプラス0.2mAの書き込み電流を流した場合、a−c間で得られるトンネル磁気抵抗の価は変化せず、磁化反転が生じなかったが、図17(a)の構造をもつ素子はb−c間にプラス0.9mAの電流を流すとa−c間で得られる磁気抵抗は変化を示し、また、図17(b)の構造をもつ素子はb−c間にプラス0.6mAの電流を流すとa−c間で得られる磁気抵抗は変化を示し、それぞれ磁化反転したことが確認できた。
【0108】
さらに、この固体磁気素子を4×4のマトリクス状にアレイ化して図9のような接続した固体磁気素子アレイを作製した。このアレイ構造において、ビット線BLとワードWLを適宜選択することにより、任意のセルに対して書き込みと読み出しを行うことができた。
【0109】
(第2の実施例)
次に、本発明の第2の実施例として、図11に表した第2実施形態の固体磁気素子を製作した。すなわち、本実施例においては、記録磁性部C及びEとしては、ニッケル鉄コバルト(NiFeCo)からなる磁性体膜を用い、MR中間部Dとしてはアルミナを用い、参照磁性部A及びGとしてはコバルト鉄(CoFe)を用いた。さらに、参照磁性部A及びGの外側には、ルテニウム(Ru)/コバルト鉄(CoFe)/白金イリジウム・マンガン(PtIrMn)からなる積層膜をそれぞれ設けて交換異方性を付与した。
【0110】
このようにして形成した第2実施形態の固体磁気素子は、1つの素子で論理処理を行うことができる。すなわち、この素子は、記録磁性部Cと記録磁性部Eとにそれぞれ入力する「0」、「1」信号の組み合わせによって、例えば、論理積(AND)や論理和(OR)あるいはこれらの否定(NAND、NOR)をはじめとする各種の論理処理が可能となる。さらに、この再生出力結果を増幅処理して次のセルへ入力することで、さらに複雑な各種演算処理が可能となる。
【0111】
(第3の実施例)
次に、本発明の第3の実施例として、図14に例示したように、2本の細線をクロスさせた構造の固体磁気素子の作成方法を説明する。
【0112】
図18は、本実施例の固体磁気素子の製造方法を表す工程図である。
すなわちまず、参照磁性部A、スピントランスファ中間部B、記録磁性部C、スピントランスファ中間部H、参照磁性部Iの元となるCoFeからなる磁性膜を形成する。その膜の上にレジストを塗布し、EB描画装置を用いて細線状マスクを形成する。そして、リアクティブイオンエッチング装置で細線以外の部分を除去して図18(a)に表したように細線100を形成する。
【0113】
この細線に対して、図18(a)に表したL1とL2のライン上で電子ビームをスキャンさせることにより、図18(b)に表したように、結晶変質部からなるスピントランスファ中間部B、Hを形成する。
【0114】
次に、図18(c)に表したように、細線100の上にMR中間部Dおよび、参照磁性部Eのための磁性層110を形成する。そして、図18(a)に関して前述したものと同様の方法でこの磁性層110を細線化する。この時、細線120の方向が、下の細線100と略直角方向になるように形成する。
【0115】
参照磁性部Aと参照磁性部Iとの磁化方向を反平行にするために、例えば、参照磁性部IにPtMnパッドを直接、積層しあるいはRu(膜厚約1nm)を介してPtMnパッドを積層する。そして、最後に配線を取り付けた。
【0116】
以上説明した方法により、MR中間部Dを介して、例えば幅50nmの2本のクロスした細線を有する固体磁気素子を形成することができる。
【0117】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、固体磁気素子を構成する各要素の具体的な寸法関係や材料、その他、電極、パッシベーション、絶縁構造などの形状や材質に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
【0118】
また、固体磁気素子における反強磁性層、強磁性層、間層、絶縁層などの構成要素は、それぞれ単層として形成してもよく、あるいは2以上の層を積層した構造としてもよい。
【0119】
その他、本発明の実施の形態として上述した固体磁気素子及び固体磁気素子アレイを基にして、当業者が適宜設計変更して実施しうるすべての固体磁気素子及び固体磁気素子アレイも同様に本発明の範囲に属する。
【0120】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、電流直接駆動による磁化反転を利用して低電流で確実な書き込みが可能な記録部と、磁気抵抗効果を利用し、高い素子インピーダンスが可能な再生部とを有する固体磁気素子を提供できる。
【0121】
その結果として、アレイ化した場合にもセル選択が可能であり、高集積化および低消費電力化が可能な、磁気メモリや各種の論理回路などを実現でき、産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態にかかる固体磁気素子の基本的な断面構造を例示する模式図である。
【図2】本発明の固体磁気素子における記録部Wの動作を説明する模式図である。
【図3】第1実施形態の固体磁気素子における再生部Rの動作を説明する模式図である。
【図4】記憶層および参照層を多層化した例として、反強磁性結合した多層膜を使用した固体磁気素子の断面を例示する模式図である。
【図5】固体磁気素子の各層の幅が互いに異なるように形成した固体磁気素子を表す模式図である。
【図6】第1実施形態の固体磁気素子の変型例を表す模式断面図である。
【図7】第1実施形態の固体磁気素子の変型例を表す模式断面図である。
【図8】本発明の実施の形態にかかる固体磁気素子アレイを構成するセルの等価回路を表す模式図である。
【図9】本発明の実施の形態にかかる固体磁気素子アレイの一部を表す模式回路図である。
【図10】本発明の実施の形態にかかる固体磁気素子アレイのもうひとつの具体例を表す模式回路図である。
【図11】本発明の第2の実施の形態にかかる固体磁気素子の断面構造を表す模式図である。
【図12】第2実施形態の固体磁気素子の変型例を表す模式断面図である。
【図13】第2実施形態の固体磁気素子のもうひとつの変型例を表す模式断面図である。
【図14】第2実施形態の固体磁気素子のもうひとつの変型例を表す模式断面図である。
【図15】第2実施形態の固体磁気素子のもうひとつの変型例を表す模式断面図である。
【図16】第2実施形態の固体磁気素子を用いた固体磁気素子アレイの模式回路図である。
【図17】本発明の実施例の固体磁気素子の要部断面構造を表す模式図である。
【図18】本発明の第3の実施例としての固体磁気素子の製造工程図である。
【符号の説明】
10固体磁気素子
20、20A、20B、30A、30Bスイッチング部
A参照磁性部
Bスピントランスファ中間部
BL、BL1、BL2ビット線
C記録磁性部
DMR中間部
E参照磁性部
E記録磁性部
E1、E2、E3電極
Fスピントランスファ中間部
G参照磁性部
M1、M2、M3磁化
P磁気微小接点
R再生部
W、W1、W2記録部
WL、WL1、WL2WL3ワード線
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid-state magnetic element and a solid-state magnetic element array, and more particularly, to a solid-state magnetic element and a solid-state magnetic element array capable of performing current direct drive recording and reproduction by a magnetoresistance effect.
[0002]
[Prior art]
Since it was found that a giant magnetoresistance effect was exhibited when an electric current was flowed in a plane in a laminated structure composed of a ferromagnetic layer / a nonmagnetic layer / a ferromagnetic layer, a large magnetoresistance change occurred. As a system having a ratio, a CPP (Current Perpendicular to Plane) type magnetoresistive element in which a current flows in a direction perpendicular to the laminated structure and a ferromagnetic tunnel magnetoresistive element in which a nonmagnetic layer is made of an insulator have been developed. .
[0003]
Further, as a system exhibiting a greater magnetoresistance effect, a "magnetic microcontact" in which two needle-like nickels (Ni) are put together (N. Garcia, M. Munoz, and Y.-W. Zhao, Physical Review Letters). 82, p. 2923 (1999)), or a magnetic microcontact in which two magnetites are brought into contact (JJ Versluijs, MA Bari and JMD Coey, Physical Review Letters, vol. 87). , P26601 -1 (2001)).
[0004]
These magnetoresistive elements are being used not only as magnetic sensors and reproducing elements in magnetic recording and reproducing systems, but also as non-volatile solid-state magnetic memories.
[0005]
When the magnetoresistive element is used as a solid-state magnetic element, writing depends on a leakage magnetic field, which is a current magnetic field applied from a wiring provided near the magnetoresistive element. However, in this case, there is a drawback that the current required to cause the magnetization reversal for recording is as large as several milliamps or more.
[0006]
On the other hand, “current direct drive type magnetization reversal” in which magnetization reversal for recording is performed by flowing a current directly to the recording magnetic part has been found (JC Slonczewski, J. Magn. Magn. Mater. 159, L1 (1996), EB Myers, et al., Science 285, 867 (1999), JA Katine, et al., Phys. Rev. Lett. 14, 3149 (2000). J. Albert, et al., Appl. Phys. Lett. 77, 3809 (2000) .J.-E. Weglowe, et al., Europhys. Lett., 45, 626 (1999) .J.Z. , J. Magn. Magn. Mater. 202, 157 (1 99).).
[0007]
This phenomenon is caused by the fact that the angular momentum of spin-polarized electrons generated when a spin-polarized current flows when passing through the reference magnetic section or the surrounding magnetic layer is transferred to the angular momentum of the recording magnetic section. It is a reversal. According to this phenomenon, it is expected that the current required for the magnetization reversal at the time of recording is reduced because it can be made to act more directly on the recording layer.
[0008]
The direct current type magnetic recording element and the magnetoresistive element described above have been different from each other. However, when they are combined, recording and reproduction can be handled by one element, which is expected to contribute to miniaturization of the element.
[0009]
However, the recording section including the recording magnetic section has an extremely low electric resistance. For this reason, it is difficult to operate in combination with a magnetoresistive unit having a higher resistance than the recording unit. Further, since the electric resistance of the recording unit is small, it is difficult to select an element particularly when the elements are arrayed.
[0010]
The present invention has been made based on the recognition of such a problem, and an object of the present invention is to provide a novel solid-state magnetic element in which elements can be selected even in an array, and a solid-state magnetic element array in which the elements are arrayed. is there.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
A magnetic element using current direct drive type magnetization reversal is expected to reduce current, but has a problem that it is difficult to select elements when arrayed due to low electric resistance.
[0012]
A magnetic element using current direct drive type magnetization reversal is expected to reduce current, but has a small electric resistance. For this reason, it is difficult to combine with a magnetoresistive effect part whose resistance is larger than that of the recording part. In addition, there is a problem that it is difficult to select elements when arraying.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a first solid-state magnetic element of the present invention comprises:
A first reference magnetic unit including a first ferromagnetic material having a magnetization direction fixed in a first direction;
A second reference magnetic unit including a second ferromagnetic material whose magnetization direction is fixed in a second direction;
A recording magnetic unit provided between the first and second reference magnetic units and including a third ferromagnetic material;
A spin transfer intermediate part provided between the first reference magnetic part and the recording magnetic part,
An MR intermediate part provided between the second reference magnetic part and the recording magnetic part;
With
By passing a write current between the first reference magnetic section and the recording magnetic section, the magnetization of the third ferromagnetic material is directed substantially parallel or substantially anti-parallel to the first direction,
By flowing a sense current between the second reference magnetic section and the recording magnetic section, it is possible to detect the relative relationship between the second direction and the direction of magnetization of the third ferromagnetic material. It is characterized by having done.
[0014]
Further, the second solid-state magnetic element of the present invention comprises:
A first reference magnetic unit including a first ferromagnetic material having a magnetization direction fixed in a first direction;
A second reference magnetic unit including a second ferromagnetic material whose magnetization direction is fixed in a second direction;
An MR intermediate portion provided between the first and second reference magnetic portions;
A first recording magnetic part provided between the first reference magnetic part and the MR intermediate part and having a third ferromagnetic material;
A second recording magnetic unit provided between the second reference magnetic unit and the MR intermediate unit and having a fourth ferromagnetic material;
A first spin transfer intermediate unit provided between the first reference magnetic unit and the first recording magnetic unit;
A second spin transfer intermediate section provided between the second reference magnetic section and the second recording magnetic section;
With
By passing a write current between the first reference magnetic part and the first recording magnetic part, the magnetization of the third ferromagnetic material is oriented substantially parallel or substantially anti-parallel to the first direction. Towards
By passing a write current between the second reference magnetic section and the second recording magnetic section, the magnetization of the fourth ferromagnetic material is oriented substantially parallel or substantially anti-parallel to the second direction. Towards
By flowing a sense current between the first recording magnetic part and the second recording magnetic part, the relative relationship between the magnetization directions of the third ferromagnetic material and the fourth ferromagnetic material is obtained. Is detectable.
[0015]
On the other hand, the solid-state magnetic element array of the present invention includes:
A plurality of solid-state magnetic elements according to claim 1,
Selecting means for selecting any one of the plurality of solid-state magnetic elements and flowing the write current or the sense current;
It is characterized by having.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0017]
FIG. 1 is a schematic view illustrating the basic cross-sectional structure of the solid-state magnetic element according to the first embodiment of the present invention. This magnetic element has a recording unit W for directly writing by a current and a reproducing unit R for reading by a magnetoresistance effect. The recording unit W and the reproducing unit R share the recording layer C.
[0018]
In other words, the recording unit W includes a reference magnetic unit A made of a hard magnetic material, a spin transfer intermediate unit B made of a non-magnetic material, and a recording magnetic unit C magnetically softer than the reference magnetic unit A. Having a structure. On the other hand, the reproducing section R has a recording magnetic section C, an MR intermediate section D, and a reference magnetic section E made of a magnetic material harder than the recording magnetic section C.
[0019]
Electrodes E1, E2, and E3 are connected to the reference magnetic section A, the recording magnetic section C, and the reference magnetic section E, respectively. The MR intermediate part D is made of a conductive metal and / or an insulator.
[0020]
The direction in which the electrodes are taken out may be horizontal or vertical in FIG. 1, but these are for convenience and may be either oblique or oblique. This is common to all subsequent figures.
[0021]
In the solid-state magnetic element shown in FIG. 1, “writing” can be performed in the recording unit W by a current direct drive type magnetization reversal mechanism. That is, the magnetization of the recording magnetic part C is reversed by the spin polarization current.
[0022]
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating the operation of the recording unit W in the solid-state magnetic element of the present invention.
[0023]
That is, as shown in FIG. 1A, when an electron current is applied from the reference magnetic section A to the recording magnetic section C, the recording magnetic section C has the same direction as the magnetization M1 of the reference magnetic section A. Can be written. That is, when an electron current flows in this direction, the spin of the electron is first polarized in the reference magnetic section A in accordance with the direction of the magnetization M1. Then, the spin-polarized electrons flow into the recording magnetic part C, and reverse the magnetization M2 in the same direction as the magnetization M1 of the reference magnetic part A.
[0024]
On the other hand, as shown in FIG. 2B, when an electron current flows from the recording magnetic part C to the reference magnetic part A, writing can be performed in the opposite direction. In other words, the spin electrons corresponding to the magnetization M1 of the reference magnetic part A can easily pass through the reference magnetic part A, whereas the spin electrons in the opposite direction to the magnetization M1 generate the spin transfer intermediate part B and the reference magnetic part A. Is reflected with high probability at the interface with. Then, the spin-polarized electrons reflected in this way return to the recording magnetic part C, thereby reversing the magnetization M2 of the recording magnetic part C in a direction opposite to that of the reference magnetic part M1.
[0025]
As described above, in the present invention, a predetermined magnetization can be written in the recording magnetic portion C by a current direct drive type magnetization reversal mechanism using a spin-polarized current. For this reason, it is possible to reduce the current required for the magnetization reversal at the time of recording as compared with the conventional recording element in which the recording layer is reversed by the leakage current magnetic field.
[0026]
On the other hand, “reading” in the solid-state magnetic element of the present embodiment can be performed in the reproducing section R by the magnetoresistance effect.
[0027]
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating the operation of the reproducing unit R in the solid-state magnetic element of the present embodiment.
[0028]
That is, when the magnetization M2 of the recording magnetic part C and the magnetization M3 of the reference magnetic part E are parallel as shown in FIG. 7A, the direction indicated by the arrow in FIG. Good), the resistance obtained by passing a sense current is small.
[0029]
On the other hand, as shown in FIG. 3B, when the magnetization M2 of the recording magnetic part C and the magnetization M3 of the reference magnetic part E are antiparallel, the resistance increases. Therefore, binary information can be reproduced by assigning a “0” level and a “1” level according to these resistance outputs.
[0030]
In the present invention, the magnetization of the recording magnetic section C can be reproduced with high sensitivity by the magnetoresistance effect in the reproducing section R. Further, as will be described in detail later, by appropriately devising the material and structure of the MR intermediate portion D, the electrical resistance of the reproducing portion through which the sense current flows can be increased to an optimum level. As a result, the element selection becomes easy particularly when the elements are arrayed, and a memory element or a logic circuit in which the solid-state magnetic elements are integrated can be realized.
[0031]
Next, each element constituting the solid-state magnetic element of the present invention will be described in detail.
[0032]
First, as materials of the reference magnetic parts A and E and the recording magnetic part C, iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), or iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni) , An alloy containing at least one element selected from the group consisting of manganese (Mn) and chromium (Cr), a NiFe alloy called "Permalloy", or a CoNbZr alloy, a FeTaC alloy, a CoTaZr alloy, a FeAlSi alloy Alloys, soft magnetic materials such as FeB-based alloys, CoFeB-based alloys, Heusler alloys, magnetic semiconductors, CrO 2 , Fe 3 O 4 , La 1-X Sr X MnO 3 Any of the half metal magnetic oxides (or half metal magnetic nitrides) can be used.
[0033]
Here, the “magnetic semiconductor” includes at least one of iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), chromium (Cr), and manganese (Mn), and a compound semiconductor or an oxide semiconductor. For example, (Ga, Cr) N, (Ga, Mn) N, MnAs, CrAs, (Ga, Cr) As, ZnO: Fe, (Mg, Fe) O And the like.
[0034]
In the present invention, as the material of the magnetic layers A, C, and E, a material having magnetic properties according to the intended use may be appropriately selected and used.
[0035]
Further, as a material used for these magnetic layers, a continuous magnetic material may be used, or a composite structure in which fine particles made of a magnetic material are deposited or formed in a non-magnetic matrix may be used.
[0036]
Particularly, as the recording magnetic portion C, a two-layer structure of [(Co or CoFe alloy) / (NiFe or NiFeCo permalloy or Ni)], or [(Co or CoFe alloy) / (NiFe or NiFeCo)] Permalloy alloy or Ni) / (Co or CoFe alloy)] may be used. In the case of a magnetic layer having such a multilayer structure, the outer Co or CoFe alloy preferably has a thickness of 0.2 nm to 3 nm. By employing such a multilayer structure, the current required for recording can be reduced.
[0037]
Further, as the recording magnetic part C, [(magnetic layer of Permalloy or CoFe) / (nonmagnetic layer of Cu or Ru (thickness of 0.2 nm or more and 3 nm or less)) / (permalloy or CoFe or the like) Magnetic layer)], in particular, a multilayer film anti-ferromagnetically interlayer-exchange-coupled can be used as a recording magnetic unit, and is effective for reducing a switching current and a switching magnetic field.
[0038]
On the other hand, in order to fix the magnetization M1 of the reference magnetic portion A or the magnetization M3 of the reference magnetic portion E, an anti-ferromagnetic layer (not shown) may be provided outside each of the reference magnetic portions A and E to apply an exchange bias. . Alternatively, when a non-magnetic layer such as ruthenium (Ru) or copper (Cu), a ferromagnetic layer, and an antiferromagnetic layer are laminated and an exchange bias is applied, the magnetization direction can be controlled, and a signal output with a large magnetoresistance effect can be obtained. Useful to get In particular, by using (ferromagnetic layer such as CoFe) / (nonmagnetic layer such as Cu, Ru) / (magnetic layer such as CoFe) / antiferromagnetic layer which is interlayer-exchange-coupled antiferromagnetically, The leakage magnetic field from the magnetic field can be reduced, and writing to the recording magnetic portion can be performed with a small current.
[0039]
As the antiferromagnetic material therefor, it is desirable to use iron manganese (FeMn), platinum manganese (PtMn), palladium manganese (PdMn), palladium platinum manganese (PdPtMn), or the like.
[0040]
As an example in which the storage layer and the reference layer are multilayered, a cross section of a solid-state magnetic element using a multilayer film antiferromagnetically coupled is illustrated in FIG. As illustrated in the figure, a reference magnetic part A, a spin transfer intermediate part B, a recording magnetic part C, an MR intermediate part D, and a reference magnetic part E of the solid-state magnetic element are respectively provided with an antiferromagnetic film AF and a ferromagnetic substance. F and the nonmagnetic film NM can be formed in combination. In FIG. 4, the direction of the magnetization of the ferromagnetic material F is also indicated by an arrow.
[0041]
On the other hand, the spin transfer intermediate portion B has a role of separating a magnetic domain between the reference magnetic portion A and the recording magnetic portion C. Further, the spin transfer intermediate portion B also has a role as a path for spin-polarized electrons. The structure includes (1) a nonmagnetic noble metal element such as Cu, Ag, or Au, or a metal containing at least one element selected from this group, or (2) a reference magnetic portion or (and / or) It is made of the same constituent element of the magnetic material as the recording magnetic part, but contains a crystal alteration such as a crystal defect, or is formed so as to be provided with surface irregularities to trap a domain wall. This crystal defect can be created by electron beam irradiation or ion irradiation. In addition, the surface irregularities can be formed by providing a constriction on a fine wire.
[0042]
It is more desirable to use a low-resistance material such as Cu, Ag, or Au, for example, as the material of the spin transfer intermediate portion B.
[0043]
On the other hand, the material of the MR intermediate part D is selected from the group consisting of aluminum (Al), titanium (Ti), tantalum (Ta), cobalt (Co), nickel (Ni), silicon (Si) and iron (Fe). An insulator made of an oxide, a nitride, or a fluoride containing at least one selected element can be used. Alternatively, as a material of the MR intermediate portion D, copper (Cu), gold (Au), silver (Ag), or an alloy containing at least one of these can also be used.
[0044]
In order to increase the element resistance of the reproducing section, it is advantageous to use an insulating material as the material of the MR intermediate section D.
[0045]
The thickness of the reference magnetic portions A and E is preferably in the range of 0.6 nm to 100 nm, and the thickness of the recording magnetic portion C is preferably in the range of 0.2 nm to 50 nm. Further, the thickness of the spin transfer intermediate portion B is desirably in the range of 0.2 nm to 100 nm. Further, it is desirable that the MR intermediate portion D be in the range of 0.2 nm to 10 nm.
[0046]
On the other hand, it is desirable to form the recording magnetic layer C, the reference magnetic layer E, and the MR intermediate portion D in a thin film shape or a thin line shape in manufacturing an element.
[0047]
On the other hand, the planar shape of the solid-state magnetic element of the present invention is desirably formed, for example, such that the planar shape of the recording magnetic portion C is a rectangle, a rhombus, or a vertically long (horizontally long) hexagon. It is desirable that the aspect ratio be about 1: 1 to 1: 5 so that uniaxial shape magnetic anisotropy is easily generated.
[0048]
Further, it is desirable that the size of the recording magnetic part C be such that one side in the longitudinal direction is in the range of about 5 nm to 1000 nm. In FIG. 1 and the like, the widths of the reference magnetic portions A and E and the recording magnetic portion C are shown as being the same, but the present invention is not limited to this. That is, the layers of the solid-state magnetic element may be formed so as to have different widths as shown in FIG. 5 for connection of wiring or control of the magnetization direction.
[0049]
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view illustrating a modification of the solid-state magnetic element of the present embodiment. In this figure, the same elements as those described above with reference to FIGS. 1 to 5 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
[0050]
In each of these modifications, a “point contact”, that is, a magnetic microcontact P having a contact area of 100 nm 2 or less is provided in the MR intermediate portion D. The magnetic minute contact P is made of the material of the reference magnetic portion E or the recording magnetic portion C, and the periphery of the MR intermediate portion D is covered with an insulator.
[0051]
The magnetic microcontact P may have a cone-shaped cross section as illustrated in FIG. 6A, or may have a pillar-shaped cross section as illustrated in FIG. Good. Furthermore, a plurality of magnetic microcontacts P may be provided as illustrated in FIGS.
[0052]
When the size of such a magnetic minute contact P is reduced, the electric resistance is reduced by applying a magnetic field. The size at which such a decrease in electrical resistance appears depends on the cross-sectional shape of the microcontact P. However, according to the results of the study by the present inventors, when the maximum width of the microcontact P is approximately 20 nm or less, the electrical resistance is reduced. Was found to be remarkable. At this time, a large magnetoresistance effect occurs in which the magnetoresistance change rate becomes 20% or more. However, when the cross-sectional shape of the minute contact P is extremely flat, the electric resistance may be reduced by the application of the magnetic field even if the maximum width exceeds 20 nm. A solid-state magnetic element having such a minute contact P is also included in the scope of the present invention.
[0053]
That is, by providing such a magnetic minute contact point P, it becomes possible to read out the magnetization of the recording magnetic part C with extremely high sensitivity in the reproducing part R.
[0054]
In the case where such a magnetic minute contact P is provided, the material around the minute contact P in the MR intermediate part D is formed of an insulating material, and the thickness of the MR intermediate part D is 0.2 nm to The thickness may be increased to a range of about 1000 nm.
[0055]
The magnetic minute contact P may be made of copper (Cu) in addition to the material of the reference magnetic portion E or the recording magnetic portion C. In this case, the contact portion may be made of copper (Cu) and its surroundings may be made of an oxide such as aluminum (Al). By doing so, the current path can be narrowed, so that the sensitivity can be increased as compared with normal CPP-MR.
[0056]
FIG. 7A is a schematic cross-sectional view illustrating another modification of the solid-state magnetic element of the present embodiment. In this figure, the same elements as those described above with reference to FIGS. 1 to 6 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
[0057]
In this modified example, the recording magnetic section C and the reference magnetic section E are respectively stacked on the upper and lower sides of the MR intermediate section D. In FIG. 1, a spin transfer intermediate section B provided on the upper side is further provided. The reference magnetic portions A provided by being laminated on each other are adjacent to each other in the in-plane direction. That is, the spin transfer intermediate portion B and the reference magnetic portion A are provided adjacent to the recording magnetic portion C in the in-plane direction without being laminated in the film thickness direction.
[0058]
Even when the layers of the solid-state magnetic element are arranged in such an arrangement relationship, the input operation by the spin-polarized current described above with reference to FIG. 2 and the output operation by the magnetoresistance effect described above with reference to FIG. 3 can be performed similarly. .
[0059]
Here, the MR intermediate portion D may be formed as a single insulating layer. However, as shown in FIG. 6, by providing one or a plurality of magnetic microcontacts P, the operation described above with reference to FIG. The effect can be obtained similarly.
[0060]
FIG. 7B is a schematic view illustrating a use form of the solid-state magnetic element of FIG. 7A. That is, the electrode E1 is connected to the switching element SW, the electrode E2 is connected to the write wiring, and the electrode E3 is connected to the read wiring. Recording can be performed by supplying a write current to a path from the switching section SW to the write wiring while the switching element SW is turned on. In addition, reading can be performed by flowing a sense current in a path from the switching unit SW to the read wiring in a state where the switching element SW is turned on.
[0061]
In FIGS. 1 to 7, the magnetization directions of the reference recording layers in the same element are shown in the same direction, but this is merely an example, and they may be antiparallel to each other or may be inclined by 90 degrees.
[0062]
As described above with reference to FIGS. 1 to 7, the solid-state magnetic element of the present invention can write the magnetization M2 in the recording magnetic portion C with a smaller write current than the spin polarization current in the recording portion W. In addition, in the reproducing section R, the magnetization M2 of the recording magnetic section C can be read with high sensitivity using the magnetoresistance effect. In addition, there is an advantage that the impedance of the reproducing section R, that is, the element resistance can be increased to an optimum range, and arraying or integration is easy.
[0063]
Therefore, next, a structure in which the solid magnetic elements are arrayed will be described.
[0064]
FIG. 8 is a schematic diagram showing an equivalent circuit of a cell constituting the solid-state magnetic element array according to the embodiment of the present invention. That is, the cell of the element array of the present invention includes the solid-state magnetic element 10 described above with reference to FIGS. 1 to 7 and the switching unit 20 for selecting this element and flowing a current. As described above, the solid-state magnetic element 10 has the recording unit W for writing by applying a current, and the reproducing unit R for reading by the magnetoresistance effect by sharing the recording magnetic portion C of the recording unit W.
[0065]
A recording unit W is provided between the reproducing unit R and the switching unit 20, and a write wiring WL2 is connected between the reproducing unit R and the recording unit W. According to this structure, writing can be performed by turning on the switching unit 20 and causing a current to flow between b and c. Also, by turning the switching unit on and turning on the switching unit 20 and allowing a current to flow between a and c. , A-c can be reproduced by detecting the resistance (voltage) between them. That is, b is connected to the write wiring WL2.
[0066]
This connection is devised because the resistance of the recording unit W is smaller than the resistance of the reproducing unit R. That is, if the positional relationship between the recording unit W and the reproducing unit R is opposite to the relationship shown in FIG. 8, a sufficient current for the magnetization reversal cannot be passed through the recording unit W during writing due to the large resistance of the reproducing unit R. In order to avoid this, a recording unit W is provided between the reproducing unit R and the switching unit 20, and a write wiring WL2 is connected between the reproducing unit R and the recording unit W. In this way, it is possible to select cells for writing and reading by one switching unit 20, and the configuration in the case of integration can be greatly simplified.
[0067]
FIG. 9 is a schematic circuit diagram illustrating a part of the solid-state magnetic element array according to the embodiment of the present invention. That is, this element array can be used, for example, as a magnetic memory and has a structure in which the cells illustrated in FIG. 8 are connected in a matrix. Then, in addition to the write wiring WL2 shown in FIG. 8, three wirings, a reproduction wiring WL1 parallel to the write wiring WL2 and a wiring BL1 for cell selection orthogonal thereto, are shared between the cells.
[0068]
According to this structure, an arbitrary cell can be selectively written and reproduced using the word line (WL1, WL2) and the bit line (BL1) corresponding to the address of the designated cell.
[0069]
FIG. 10 is a schematic circuit diagram showing another specific example of the solid-state magnetic element array according to the embodiment of the present invention. This specific example can also be used as a magnetic memory.
[0070]
In the case of this specific example, a switching unit 20A is connected to the reproducing unit R, and a switching unit 20B is connected to the recording unit W. The write wiring WL1 is connected between the reproducing unit R and the recording unit W. The switching unit 20A is turned on by a wiring BL1, and the switching unit 20B is turned on by a wiring BL2.
[0071]
In the case of this array, a reproducing unit R of an arbitrary cell is selected and read out by the switching unit 20A and the wiring WL1, and a recording unit W of an arbitrary cell is selected by the switching unit 20B and the wiring WL1. Can be written. As described above, as the first embodiment of the present invention, the solid-state magnetic elements illustrated in FIGS. 1 to 10 and their application examples have been described.
[0072]
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
[0073]
FIG. 11 is a schematic diagram illustrating a cross-sectional structure of a solid-state magnetic element according to the second embodiment of the present invention.
That is, the solid-state magnetic element of the present embodiment has the reproducing section R at the center, and has two recording sections W1 and W2 on both sides thereof so as to share the recording magnetic section.
[0074]
The laminated structure will be described. A structure in which a reference magnetic part A, a spin transfer intermediate part B, a recording magnetic part C, an MR intermediate part D, a recording magnetic part E, a spin transfer intermediate part F, and a reference magnetic part G are laminated in this order. Having. The recording section W1 is composed of the reference magnetic section A, the spin transfer intermediate section B, and the recording magnetic section C, and the reproducing section R is composed of the recording magnetic section C, the MR intermediate section D, and the recording magnetic section E. The recording section W2 is composed of the magnetic section E, the spin transfer intermediate section F, and the reference magnetic section G.
[0075]
The material, thickness, size, and the like of each of these layers can be the same as those described above with respect to the first embodiment.
[0076]
The operation will be described. First, in the writing, a current is caused to flow between the electrodes E1 and E2 to perform the magnetization reversal of the recording magnetic portion C to perform writing to the recording magnetic portion C, and a current is caused to flow between the electrodes E3 and E4. As a result, the magnetization of the recording magnetic part E is inverted, and writing to the recording magnetic part E is performed. These writing mechanisms are based on a current direct drive type magnetization reversal mechanism using a spin-polarized current, as described above with reference to FIG.
[0077]
On the other hand, in the reproduction, the relative angle of the magnetization between the recording magnetic portions C and E is detected as a magnetoresistance by flowing a sense current between the electrodes E2 and E3. The mechanism is similar to that described above with reference to FIG.
[0078]
As described above, the solid-state magnetic element of this embodiment can store information independently in the two recording magnetic units.
[0079]
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view illustrating a modification of the solid-state magnetic element of the present embodiment. In this figure, the same elements as those described above with reference to FIG. 11 are denoted by the same reference numerals, and detailed description will be omitted.
[0080]
That is, these modified examples have a point contact, that is, a magnetic minute contact P, like the element illustrated in FIG. As described above, by providing such a small contact point P, a high rate of change in magnetoresistance can be obtained, and the magnetization recorded in the recording magnetic portions C and E can be read with extremely high sensitivity.
[0081]
Although the magnetization directions of the reference recording layers in the same element are shown in FIGS. 11 and 12 in the same direction, this is merely an example, and they may be antiparallel to each other or may be inclined by 90 degrees.
[0082]
FIG. 13A is a schematic cross-sectional view illustrating another modified example of the solid-state magnetic element of the present embodiment. In this figure, the same elements as those described above with reference to FIGS. 1 to 12 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
[0083]
Also in this modified example, the recording magnetic parts C and E are laminated on the upper and lower sides of the MR intermediate part D, respectively, but the spin transfer intermediate parts B and F and the reference magnetic parts A and G are composed of the recording magnetic parts C and E. Are provided adjacent to each other in the in-plane direction without being laminated in the film thickness direction. The electrode E1 is connected to the reference magnetic part A, the electrode E2 is connected to the recording magnetic part C, the electrode E3 is connected to the recording magnetic part E, and the electrode E4 is connected to the reference magnetic part G.
[0084]
Even when the layers of the solid-state magnetic element are arranged in such an arrangement relationship, the input operation by the spin-polarized current described above with reference to FIG. 2 and the output operation by the magnetoresistance effect described above with reference to FIG. 3 can be performed similarly. .
[0085]
Here, the MR intermediate portion D may be formed as a single insulating layer. However, as shown in FIG. 6 and FIG. The operation and effect described above with reference to FIG. 12 can be similarly obtained.
[0086]
FIG. 13B is a schematic view illustrating a use form of the solid-state magnetic element of FIG. That is, the electrodes E1 and E4 are connected to the switching elements SW1 and SW2, respectively, and the electrodes E2 and E3 are connected to the write wirings 1 and 2, respectively. By flowing a write current in a path from the switching section SW1 to the write wiring 1 with the switching element SW1 turned on, the magnetization of the recording magnetic section C can be recorded in a predetermined direction. Further, by supplying a write current to the path from the switching section SW2 to the write wiring 2 with the switching element SW2 turned on, the magnetization of the recording magnetic section E can be recorded in a predetermined direction.
[0087]
FIG. 14 is a schematic sectional view illustrating another modification of the solid-state magnetic element of the present embodiment. That is, FIG. 1A is a plan view thereof, and FIG. 1B is a front view thereof. Also in this figure, the same elements as those described above with reference to FIGS. 1 to 13 are denoted by the same reference numerals, and detailed description is omitted.
[0088]
In this modified example, a reference magnetic section A, a spin transfer intermediate section B, a recording magnetic section C, a spin transfer intermediate section H, and a reference magnetic section I are arranged in this order on substantially the same plane. The MR intermediate portion D is stacked on the recording magnetic portion C, and the reference magnetic portion E is stacked thereon.
[0089]
It is necessary that the size of the MR intermediate portion D is equal to or larger than the overlapping portion of the recording magnetic portion C and the reference magnetic portion E. Therefore, the MR intermediate portion D may cover the entire recording magnetic portion C, or even cover the spin transfer intermediate portion B, as long as the electrodes E1 and E2 can be connected.
[0090]
It is desirable that the magnetization direction of the reference magnetic part I be antiparallel to the reference magnetic part A. The electrode E2 is connected to the reference magnetic section I. The two spin transfer intermediate portions B and H make it possible to direct the magnetization directions of the reference magnetic portion A and the recording magnetic portion C or the recording magnetic portion C and the reference magnetic portion I in antiparallel directions.
[0091]
When electrons flow from E1 to E2 using the electrodes E1 and E2, the magnetization of the recording magnetic part C is directed in the same direction as the reference magnetic part A. Conversely, when electrons flow from the electrode E2 to the electrode E1, the magnetization of the recording magnetic part C becomes the same direction as the reference magnetic part I.
[0092]
When the switching unit, the write wiring, and the read wiring are connected to E1, E2, and E3, respectively, the same operation as that described with reference to FIG. 7B can be performed.
[0093]
FIG. 15 is a schematic sectional view showing another modification of the solid-state magnetic element of the present embodiment. That is, FIG. 1A is a plan view thereof, and FIG. 1B is a front view thereof. Also in this figure, the same elements as those described above with reference to FIGS. 1 to 14 are denoted by the same reference numerals, and detailed description is omitted.
[0094]
In this modified example, a reference magnetic section A, a spin transfer intermediate section B, a recording magnetic section C, a spin transfer intermediate section H, and a reference magnetic section I are arranged in this order on substantially the same plane. The MR intermediate portion D is stacked on the recording magnetic portion C, and the recording magnetic portion E is stacked thereon.
On both sides of the recording magnetic portion E, reference magnetic portions G and K are arranged in substantially the same plane via spin transfer intermediate portions F and J, respectively. It is necessary that the size of the MR intermediate portion D is equal to or larger than the overlapping portion of the recording magnetic portion C and the recording magnetic portion E.
[0095]
Also in this specific example, it is desirable that the magnetization direction of the reference magnetic portion G be antiparallel to the magnetization direction of the reference magnetic portion K. The two spin transfer intermediate portions B and H make it possible to direct the magnetization directions of the reference magnetic portion A and the recording magnetic portion C or the recording magnetic portion C and the reference magnetic portion I in antiparallel directions. Similarly, the two spin transfer intermediate portions F and J make it possible to direct the magnetization directions of the reference magnetic portion G and the recording magnetic portion E, or the recording magnetic portion E and the reference magnetic portion K, in antiparallel directions.
[0096]
FIG. 16 is a schematic circuit diagram of a solid-state magnetic element array using the solid-state magnetic element of the present embodiment. This solid-state magnetic element array has a structure in which a cell composed of the solid-state magnetic cell shown in FIG. 11 or FIG. 12 and two switching units 30A and 30B for selecting this cell and passing a current is connected in a matrix. Have. These cells include two bit lines BL1 and BL2 respectively connected to the two switching units 30A and 30B, word lines WL1 and WL2 connected between the reproducing unit R and the two recording units W1 and W2, Further, it is connected to a word line WL3 connected to one switching unit.
[0097]
Writing is performed as follows. First, when writing to the recording magnetic section C of the recording section W1, the switching section 30A is turned on, and current is applied to one end (the lower end in the figure) of the switching section 30A and the wiring WL1 to perform writing. The writing to the recording magnetic unit E of the recording unit W2 is performed by turning on the switching unit 30B and supplying a current to the word lines WL2 and WL3.
[0098]
On the other hand, reproduction is possible in three ways.
[0099]
As a first method, the two switching units 30A and 30B are turned ON, and the magnetic resistance between the lower end (in FIG. 16) of the switching unit 30A and the word line WL3 is detected.
[0100]
As a second method, only the switching unit 30A is turned on, and the magnetic resistance between the lower end (in FIG. 16) of the switching unit 30A and the word line WL2 is detected.
[0101]
As a third method, only the switching unit 30B is turned on, and the magnetic resistance between the word lines WL1 and WL3 is detected.
[0102]
In any of the above cases, the resistance of the reproducing unit R can be detected because the resistance of the recording magnetic units C and E is small.
[0103]
【Example】
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to examples.
[0104]
(First embodiment)
First, as a first example of the present invention, the solid-state magnetic element of the first embodiment was manufactured.
[0105]
FIGS. 17A and 17B are schematic diagrams illustrating a cross-sectional structure of a main part of the solid-state magnetic element of the present embodiment.
[0106]
These laminated structures were produced using an ultra-high vacuum sputtering apparatus. First, the substrate was formed by forming an FET on a Si wafer by a normal CMOS process. A lower electrode film (not shown) made of tantalum (Ta) and copper (Cu) is formed thereon, and the laminated films of FIGS. And an upper electrode layer. An EB (electron beam) resist is applied on this laminated film, EB exposure is performed, and lift-off is performed. Then, the laminated film is first processed to a size of 60 nm × 240 nm, and then finely laminated using EB drawing and lift-off. A part of the film was removed until the recording layer was exposed, thereby producing the structure shown in FIG. Further, each electrode was connected to a read / write word line and an FET as shown in FIG.
[0107]
For the solid-state magnetic element, the switching transistor is turned on, first, a pulse current of minus 3 mA (milliampere) is passed between b and c to initialize the magnetization, and then a pulse current having a plus sign is set. , And the magnetization reversal of the recording magnetic portion C was detected by a change in magnetoresistance between a and c. As a result, when a write current of plus 0.2 mA flows between b and c in both of FIGS. 17A and 17B, the value of the tunnel magnetoresistance obtained between a and c does not change, and the magnetization reversal occurs. 17B. In the device having the structure shown in FIG. 17A, when a current of 0.9 mA flows between b and c, the magnetoresistance obtained between a and c shows a change. In the device having the structure of ()), when a current of plus 0.6 mA flows between bc, the magnetoresistance obtained between a and c shows a change, and it was confirmed that the magnetizations were reversed.
[0108]
Further, the solid-state magnetic elements were arrayed in a 4 × 4 matrix to produce a connected solid-state magnetic element array as shown in FIG. In this array structure, by appropriately selecting the bit line BL and the word WL, writing and reading can be performed on an arbitrary cell.
[0109]
(Second embodiment)
Next, as a second example of the present invention, the solid-state magnetic element of the second embodiment shown in FIG. 11 was manufactured. That is, in the present embodiment, the recording magnetic portions C and E are made of a magnetic film made of nickel-iron-cobalt (NiFeCo), the MR intermediate portion D is made of alumina, and the reference magnetic portions A and G are made of cobalt. Iron (CoFe) was used. Further, outside the reference magnetic parts A and G, exchange anisotropy was given by providing a laminated film composed of ruthenium (Ru) / cobalt iron (CoFe) / platinum iridium manganese (PtIrMn).
[0110]
The solid-state magnetic element of the second embodiment thus formed can perform logic processing with one element. That is, this element is, for example, a logical product (AND), a logical sum (OR), or a logical negation (OR) thereof, depending on a combination of “0” and “1” signals input to the recording magnetic unit C and the recording magnetic unit E, respectively. Various logical processes including NAND, NOR) can be performed. Further, by amplifying the reproduction output result and inputting the result to the next cell, more complicated various arithmetic processing can be performed.
[0111]
(Third embodiment)
Next, as a third embodiment of the present invention, a method of manufacturing a solid-state magnetic element having a structure in which two thin wires are crossed as illustrated in FIG. 14 will be described.
[0112]
FIG. 18 is a process chart illustrating the method for manufacturing the solid-state magnetic element of the present embodiment.
That is, first, a magnetic film made of CoFe which is a source of the reference magnetic part A, the spin transfer intermediate part B, the recording magnetic part C, the spin transfer intermediate part H, and the reference magnetic part I is formed. A resist is applied on the film, and a fine line mask is formed using an EB lithography apparatus. Then, portions other than the fine line are removed by a reactive ion etching apparatus, and a fine line 100 is formed as shown in FIG.
[0113]
The thin line is scanned with an electron beam on the lines L1 and L2 shown in FIG. 18A, and thereby, as shown in FIG. , H.
[0114]
Next, as shown in FIG. 18C, a magnetic layer 110 for the MR intermediate part D and the reference magnetic part E is formed on the thin wire 100. Then, the magnetic layer 110 is thinned by the same method as described above with reference to FIG. At this time, the thin wire 120 is formed so that the direction of the thin wire 120 is substantially perpendicular to the lower thin wire 100.
[0115]
In order to make the magnetization directions of the reference magnetic part A and the reference magnetic part I antiparallel, for example, a PtMn pad is directly laminated on the reference magnetic part I or a PtMn pad is laminated via Ru (thickness: about 1 nm). I do. Finally, the wiring was attached.
[0116]
According to the above-described method, a solid-state magnetic element having two crossed thin lines with a width of, for example, 50 nm can be formed via the MR intermediate portion D.
[0117]
The embodiments of the invention have been described with reference to examples. However, the present invention is not limited to these specific examples. For example, as for the specific dimensional relationship and material of each element constituting the solid-state magnetic element, and the shape and material of the electrode, passivation, insulating structure, and the like, those skilled in the art can appropriately select the present invention from a known range to thereby realize the present invention. The present invention is included in the scope of the present invention as long as the same operation can be performed and the same effect can be obtained.
[0118]
Components such as an antiferromagnetic layer, a ferromagnetic layer, an interlayer, and an insulating layer in the solid-state magnetic element may be formed as a single layer, or may have a structure in which two or more layers are stacked.
[0119]
In addition, all solid-state magnetic elements and solid-state magnetic element arrays that can be implemented by a person skilled in the art by appropriately changing the design based on the solid-state magnetic elements and solid-state magnetic element arrays described above as the embodiments of the present invention are similarly applied to the present invention. Belongs to the range.
[0120]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the present invention, a recording section capable of reliably writing at a low current by utilizing magnetization reversal by direct current driving, and a reproduction section capable of achieving high element impedance by utilizing a magnetoresistance effect. And a solid-state magnetic element having a portion.
[0121]
As a result, a cell can be selected even in the case of an array, and a magnetic memory and various logic circuits capable of high integration and low power consumption can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view illustrating a basic cross-sectional structure of a solid-state magnetic element according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating an operation of a recording unit W in the solid-state magnetic element of the present invention.
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating an operation of a reproducing unit R in the solid-state magnetic element of the first embodiment.
FIG. 4 is a schematic view illustrating a cross section of a solid-state magnetic element using an antiferromagnetically-coupled multilayer film as an example in which a storage layer and a reference layer are multilayered.
FIG. 5 is a schematic diagram illustrating a solid-state magnetic element formed so that the widths of respective layers of the solid-state magnetic element are different from each other.
FIG. 6 is a schematic sectional view illustrating a modification of the solid-state magnetic element of the first embodiment.
FIG. 7 is a schematic sectional view illustrating a modification of the solid-state magnetic element of the first embodiment.
FIG. 8 is a schematic diagram showing an equivalent circuit of a cell constituting the solid-state magnetic element array according to the embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a schematic circuit diagram illustrating a part of the solid-state magnetic element array according to the embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a schematic circuit diagram showing another specific example of the solid-state magnetic element array according to the embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a schematic diagram illustrating a cross-sectional structure of a solid-state magnetic element according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view illustrating a modification of the solid-state magnetic element of the second embodiment.
FIG. 13 is a schematic sectional view showing another modification of the solid-state magnetic element of the second embodiment.
FIG. 14 is a schematic sectional view showing another modification of the solid-state magnetic element of the second embodiment.
FIG. 15 is a schematic sectional view illustrating another modification of the solid-state magnetic element of the second embodiment.
FIG. 16 is a schematic circuit diagram of a solid-state magnetic element array using the solid-state magnetic element of the second embodiment.
FIG. 17 is a schematic diagram illustrating a cross-sectional structure of a main part of a solid-state magnetic element according to an embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a manufacturing process diagram of the solid-state magnetic element as the third embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
10 solid magnetic element
20, 20A, 20B, 30A, 30B switching unit
A reference magnetic part
B spin transfer intermediate part
BL, BL1, BL2 bit lines
C recording magnetic part
DMR middle part
E reference magnetic part
E recording magnetic part
E1, E2, E3 electrodes
F spin transfer intermediate part
G reference magnetic part
M1, M2, M3 magnetization
P magnetic minute contact
R playback unit
W, W1, W2 recording unit
WL, WL1, WL2 WL3 word line

Claims (12)

磁化方向が第1の方向に固着された第1の強磁性体を含む第1の参照磁性部と、
磁化方向が第2の方向に固着された第2の強磁性体を含む第2の参照磁性部と、
前記第1及び第2の参照磁性部の間に設けられ、第3の強磁性体を含む記録磁性部と、
前記第1の参照磁性部と前記記録磁性部との間に設けられたスピントランスファ中間部と、
前記第2の参照磁性部と前記記録磁性部との間に設けられたMR中間部と、
を備え、
前記第1の参照磁性部と前記記録磁性部との間で書き込み電流を流すことにより、前記第3の強磁性体の磁化を前記第1の方向と略平行または略反平行な向きに向け、
前記第2の参照磁性部と前記記録磁性部との間でセンス電流を流すことにより、前記第2の方向に対する、前記第3の強磁性体の磁化の向きの相対的な関係を検出可能としたことを特徴とする固体磁気素子。
A first reference magnetic unit including a first ferromagnetic material having a magnetization direction fixed in a first direction;
A second reference magnetic unit including a second ferromagnetic material whose magnetization direction is fixed in a second direction;
A recording magnetic unit provided between the first and second reference magnetic units and including a third ferromagnetic material;
A spin transfer intermediate part provided between the first reference magnetic part and the recording magnetic part,
An MR intermediate part provided between the second reference magnetic part and the recording magnetic part;
With
By passing a write current between the first reference magnetic section and the recording magnetic section, the magnetization of the third ferromagnetic material is directed substantially parallel or substantially anti-parallel to the first direction,
By flowing a sense current between the second reference magnetic section and the recording magnetic section, it is possible to detect the relative relationship between the second direction and the direction of magnetization of the third ferromagnetic material. A solid-state magnetic element characterized in that:
前記第1の参照磁性部の側に接続されたスイッチング部と、
前記記録磁性部に接続された書き込み配線と、
をさらに備え、
前記スイッチング部をオンにした状態で前記スイッチング部から前記書き込み配線に至る経路に前記書き込み電流を流し、
前記スイッチング部をオンにした状態で前記スイッチング部から前記第2の参照磁性部に至る経路に前記センス電流を流すことを特徴とする請求項1記載の固体磁気素子。
A switching unit connected to the side of the first reference magnetic unit;
A write wiring connected to the recording magnetic unit;
Further comprising
With the switching section turned on, the write current flows through a path from the switching section to the write wiring,
2. The solid-state magnetic element according to claim 1, wherein the sense current is caused to flow in a path from the switching unit to the second reference magnetic unit with the switching unit turned on. 3.
前記第1の参照磁性部の側に接続された第1のスイッチング部と、
前記記録磁性部に接続された書き込み・読み出し配線と、
前記第2の参照磁気部の側に接続された第2のスイッチング部と、
をさらに備え、
前記第1のスイッチング部をオンにした状態で前記第1のスイッチング部から前記書き込み・読み出し配線に至る経路に前記書き込み電流を流し、
前記第2のスイッチング部をオンにした状態で前記第2のスイッチング部から前記書き込み・読み出し配線に至る経路に前記センス電流を流すことを特徴とする請求項1記載の固体磁気素子。
A first switching unit connected to the first reference magnetic unit,
A write / read wire connected to the recording magnetic section;
A second switching unit connected to the side of the second reference magnetic unit;
Further comprising
Flowing the write current to a path from the first switching unit to the write / read wiring while the first switching unit is turned on;
2. The solid-state magnetic element according to claim 1, wherein the sense current is caused to flow in a path from the second switching unit to the write / read wiring with the second switching unit turned on. 3.
磁化方向が第1の方向に固着された第1の強磁性体を含む第1の参照磁性部と、
磁化方向が第2の方向に固着された第2の強磁性体を含む第2の参照磁性部と、
前記第1及び第2の参照磁性部の間に設けられたMR中間部と、
前記第1の参照磁性部と前記MR中間部との間に設けられ、第3の強磁性体を有する第1の記録磁性部と、
前記第2の参照磁性部と前記MR中間部との間に設けられ、第4の強磁性体を有する第2の記録磁性部と、
前記第1の参照磁性部と前記第1の記録磁性部との間に設けられた第1のスピントランスファ中間部と、
前記第2の参照磁性部と前記第2の記録磁性部との間に設けられた第2のスピントランスファ中間部と、
を備え、
前記第1の参照磁性部と前記第1の記録磁性部との間で書き込み電流を流すことにより、前記第3の強磁性体の磁化を前記第1の方向と略平行または略反平行な向きに向け、
前記第2の参照磁性部と前記第2の記録磁性部との間で書き込み電流を流すことにより、前記第4の強磁性体の磁化を前記第2の方向と略平行または略反平行な向きに向け、
前記第1の記録磁性部と前記第2の記録磁性部との間でセンス電流を流すことにより、前記第3の強磁性体と前記第4の強磁性体の磁化の向きの相対的な関係を検出可能としたことを特徴とする固体磁気素子。
A first reference magnetic unit including a first ferromagnetic material having a magnetization direction fixed in a first direction;
A second reference magnetic unit including a second ferromagnetic material whose magnetization direction is fixed in a second direction;
An MR intermediate portion provided between the first and second reference magnetic portions;
A first recording magnetic part provided between the first reference magnetic part and the MR intermediate part and having a third ferromagnetic material;
A second recording magnetic unit provided between the second reference magnetic unit and the MR intermediate unit and having a fourth ferromagnetic material;
A first spin transfer intermediate unit provided between the first reference magnetic unit and the first recording magnetic unit;
A second spin transfer intermediate section provided between the second reference magnetic section and the second recording magnetic section;
With
By passing a write current between the first reference magnetic part and the first recording magnetic part, the magnetization of the third ferromagnetic material is oriented substantially parallel or substantially anti-parallel to the first direction. Towards
By passing a write current between the second reference magnetic section and the second recording magnetic section, the magnetization of the fourth ferromagnetic material is oriented substantially parallel or substantially anti-parallel to the second direction. Towards
By flowing a sense current between the first recording magnetic part and the second recording magnetic part, the relative relationship between the magnetization directions of the third ferromagnetic material and the fourth ferromagnetic material is obtained. A solid-state magnetic element characterized in that it is possible to detect a magnetic field.
前記第1の参照磁性部の側に接続された第1のスイッチング部と、
前記第2の参照磁性部の側に接続された第2のスイッチング部と、
前記第1の記録磁性部に接続された第1の書き込み配線と、
前記第2の記録磁性部に接続された第2の書き込み配線と、
をさらに備え、
前記第1のスイッチング部をオンにした状態で前記第1のスイッチング部から前記第1の書き込み配線に至る経路に前記書き込み電流を流すことにより前記第3の強磁性体の磁化を前記第1の方向と略平行または略反平行な向きに向け、
前記第2のスイッチング部をオンにした状態で前記第2のスイッチング部から前記第2の書き込み配線に至る経路に前記書き込み電流を流すことにより前記第4の強磁性体の磁化を前記第2の方向と略平行または略反平行な向きに向けることを特徴とする請求項4記載の固体磁気素子。
A first switching unit connected to the first reference magnetic unit,
A second switching unit connected to the side of the second reference magnetic unit;
A first write wiring connected to the first recording magnetic unit;
A second write wiring connected to the second recording magnetic unit;
Further comprising
With the first switching section turned on, the write current is caused to flow through a path from the first switching section to the first write wiring, thereby changing the magnetization of the third ferromagnetic material to the first write wiring. In a direction that is approximately parallel or approximately antiparallel to the direction,
By flowing the write current in a path from the second switching unit to the second write wiring while the second switching unit is turned on, the magnetization of the fourth ferromagnetic material is changed to the second 5. The solid-state magnetic element according to claim 4, wherein the element is oriented in a direction substantially parallel or substantially anti-parallel to the direction.
前記書き込み電流を流すことにより前記記録磁性部にスピン偏極した電子電流が流入し、前記スピン偏極した電子電流によりその記録磁性部の強磁性体の磁化が前記略平行または略反平行な向きに向けられることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載の固体磁気素子。By passing the write current, a spin-polarized electron current flows into the recording magnetic part, and the magnetization of the ferromagnetic material of the recording magnetic part is oriented in the substantially parallel or substantially antiparallel direction by the spin-polarized electron current. The solid-state magnetic element according to claim 1, wherein the solid-state magnetic element is directed to: 前記センス電流を流したときに、前記磁化の向きの相対的な関係に応じて抵抗が変化することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1つに記載の固体磁気素子。The solid-state magnetic element according to claim 1, wherein when the sense current flows, a resistance changes according to a relative relationship between the directions of magnetization. 前記MR中間部は、電気的に絶縁性の材料により形成されてなることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1つに記載の記載の固体磁気素子。The solid-state magnetic element according to claim 1, wherein the MR intermediate portion is formed of an electrically insulating material. 前記MR中間部は、隣接する磁性層から延出した磁気接点を含むことを特徴とする請求項1〜8のいずれか1つに記載の固体磁気素子。9. The solid-state magnetic element according to claim 1, wherein the MR intermediate portion includes a magnetic contact extending from an adjacent magnetic layer. 前記記録磁性部が有する前記強磁性体は、前記参照磁性部が有する前記強磁性体よりも軟磁性の材料からなることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1つに記載の固体磁気素子。The solid-state magnetic device according to any one of claims 1 to 9, wherein the ferromagnetic material included in the recording magnetic unit is made of a material that is softer than the ferromagnetic material included in the reference magnetic unit. element. 前記第1及び第2の強磁性体に交換バイアス磁界を印加する反強磁性層をさらに備えたことを特徴とする請求項1〜10のいずれか1つに記載の固体磁気素子。The solid-state magnetic element according to claim 1, further comprising an antiferromagnetic layer that applies an exchange bias magnetic field to the first and second ferromagnetic materials. 請求項1〜11のいずれか1つに記載の複数の固体磁気素子と、
前記複数の固体磁気素子の任意のいずれかを選択し前記書き込み電流または前記センス電流を流す選択手段と、
を備えたことを特徴とする固体磁気素子アレイ。
A plurality of solid-state magnetic elements according to any one of claims 1 to 11,
Selecting means for selecting any one of the plurality of solid-state magnetic elements and flowing the write current or the sense current;
A solid-state magnetic element array comprising:
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