JP2005353819A - Magnetoresistive effect element and storage device using the same - Google Patents

Magnetoresistive effect element and storage device using the same Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a memory device using a BMR element that is miniaturized. <P>SOLUTION: In the magnetoresistance effect (BMR) element, first and second magnetic bodies 201 and 202 provided in an insulating layer to face each other in the direction perpendicular to the surface of the layer are connected to each other in a connection. The first and second magnetic bodies 201 and 202 contain at least one kind of element selected from among transition metal elements, and the area of the contacting surfaces of the magnetic bodies 201 and 202 in the connection is smaller than the cross-sectional area parallel to the plane forming at least the connection of the magnetic bodies 201 and 202. In addition. the electric resistance of the magnetoresistance effect element varies depending upon the angle between the directions of magnetization of the magnetic bodies 201 and 202. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子及び該磁気抵抗効果素子を用いた記憶装置に関するものである。   The present invention relates to a magnetoresistive effect element and a memory device using the magnetoresistive effect element.

近年、現在使用されている固体記憶装置の多くを置き換える記憶装置(以下、メモリと略す)としてMRAM(Magnetic Random Access Memory)が注目されている。MRAMは高速アクセスが可能な不揮発メモリであるが、特にTMR(Tunnel Magnetoresistance)効果を利用したMRAMは、大きな読み出し信号が得られることから、精力的に研究開発が行われている。   In recent years, MRAM (Magnetic Random Access Memory) has attracted attention as a storage device (hereinafter abbreviated as a memory) that replaces many of the currently used solid-state storage devices. The MRAM is a non-volatile memory that can be accessed at high speed. In particular, the MRAM using the TMR (Tunnel Magnetoresistivity) effect has been actively researched and developed because a large read signal can be obtained.

TMR膜はトンネル障壁層を介して磁性層が隣接して形成されたサンドイッチ構造である。用いられるトンネル障壁層の膜厚は1nm〜2nm程度と非常に薄く、アルミナが好適に用いられる。   The TMR film has a sandwich structure in which magnetic layers are formed adjacent to each other through a tunnel barrier layer. The tunnel barrier layer used has a very thin film thickness of about 1 nm to 2 nm, and alumina is preferably used.

MRAMの記録密度を高くするために、例えば特許文献1で述べられているように垂直磁化膜を用いる提案がなされている。この方法では素子サイズが小さくなっても反磁界は増加しないので、面内磁化膜を用いたMRAMよりも小さなサイズの磁気抵抗効果膜が実現可能である。   In order to increase the recording density of the MRAM, a proposal has been made to use a perpendicular magnetization film as described in Patent Document 1, for example. In this method, the demagnetizing field does not increase even when the element size is reduced. Therefore, a magnetoresistive film having a size smaller than that of the MRAM using the in-plane magnetization film can be realized.

磁気抵抗効果膜の磁性膜が垂直磁化膜である場合には、膜面垂直方向の磁界、つまり上向きあるいは下向きの磁界を印加し、非磁性膜に接して形成されている2つの磁性膜のうち一方の磁性膜の磁化方向のみを情報に対応した向きに向ける。   When the magnetic film of the magnetoresistive film is a perpendicularly magnetized film, a magnetic field perpendicular to the film surface, that is, an upward or downward magnetic field is applied, and two of the magnetic films formed in contact with the nonmagnetic film Only the magnetization direction of one magnetic film is directed to the direction corresponding to the information.

また、磁化方向を反転させる他の方法として、スピン偏極した電流を磁性膜に流す方法がある。これはスピン注入と呼ばれ、非特許文献1と2によって提案された磁化反転方法である。スピン偏極した電流を発生させるには磁性金属と非磁性金属の多層膜を用いることが一般的であるが、p型ガリウム砒素からなる半導体に電場を印加すると、それと垂直な方向にスピン流が発生することが、非特許文献3により、村上等によって最近報告されており、これを磁化反転に利用することも可能である。   As another method of reversing the magnetization direction, there is a method of passing a spin-polarized current through the magnetic film. This is called spin injection and is a magnetization reversal method proposed by Non-Patent Documents 1 and 2. In order to generate a spin-polarized current, it is common to use a multilayer film of a magnetic metal and a non-magnetic metal. However, when an electric field is applied to a semiconductor made of p-type gallium arsenide, a spin current is generated in a direction perpendicular thereto. It has been recently reported by Murakami et al. According to Non-Patent Document 3 that this can be used for magnetization reversal.

TMR膜をメモリ素子として利用する場合、情報の読み出し時間を短くするために素子の抵抗値は小さいことが好ましい。TMR膜の抵抗値はトンネル障壁膜の抵抗値が支配的であり、抵抗値を小さくするためにはトンネル障壁膜の抵抗を小さくする必要がある。   When the TMR film is used as a memory element, it is preferable that the resistance value of the element is small in order to shorten the information reading time. The resistance value of the TMR film is dominated by the resistance value of the tunnel barrier film. In order to reduce the resistance value, it is necessary to reduce the resistance of the tunnel barrier film.

トンネル障壁膜の抵抗を小さくする一つの方法として薄膜化が挙げられるが、メモリ素子の面積が小さくなればなるほど、逆に素子の抵抗値は増加するため、トンネル障壁膜をより薄くする必要があり、サブミクロン角サイズのメモリ素子では、1nm以下の膜厚のトンネル障壁膜が求められる。そのようなアルミナトンネル障壁膜を均一に形成することは容易ではない。したがってトンネル障壁膜の薄膜化による低抵抗化には限界があり、メモリ素子のサイズの微細化に限界があるために、例えば1Gbit以上の大容量メモリの製造は困難であるといわれている。   One way to reduce the resistance of the tunnel barrier film is to reduce the thickness. However, as the area of the memory element decreases, the resistance value of the element increases. Therefore, it is necessary to make the tunnel barrier film thinner. For a memory element of submicron square size, a tunnel barrier film having a thickness of 1 nm or less is required. It is not easy to form such an alumina tunnel barrier film uniformly. Therefore, there is a limit to reducing the resistance by thinning the tunnel barrier film, and there is a limit to miniaturization of the size of the memory element, so that it is said that it is difficult to manufacture a large capacity memory of, for example, 1 Gbit or more.

また、他の方法としてトンネル障壁膜にエネルギー障壁高さの低い材料を用いることが挙げられる。しかし、これまでに酸化ニッケルや窒化アルミニウム等様々な材料が検討されたが、十分な磁気抵抗変化率の得られる材料は見つかっていない。   Another method is to use a material having a low energy barrier height for the tunnel barrier film. However, various materials such as nickel oxide and aluminum nitride have been studied so far, but no material capable of obtaining a sufficient magnetoresistance change rate has been found.

また、1999年に新しい磁気抵抗効果であるBMR(Ballistic Magnetoresistance)効果がGarciaなどによって報告された(非特許文献4)。この研究においては、直径2mmの2本のニッケル細線を、樹脂を用いてテフロンチューブに固定し、お互いに先端を押し付けることにより、局部的な接点を有する磁気抵抗効果素子を作成している。2本のニッケル細線の磁化方向が反平行であるとき接点に磁壁が形成され、磁化方向を平行にすると磁壁は消滅する。2つのニッケル細線の両端に電圧を印加し、接点を電子が通過するように電流を流すと、磁壁が形成されているときの電気抵抗は、磁壁が存在しないときよりも大きく、その抵抗変化率は、非特許文献4に示されるように280%と巨大である。また、その後の研究において、非特許文献5では、100000%というさらに大きな磁気抵抗変化率が報告されている。
特開平11−213650号公報 J. C. Slonczewski (J. Magn. Magn. Mater. 159, L1 (1996)) L. Berger(Phys. Rev. B 54, 9353 (1996) ) Murakami et al., Science 301 1348 (2003) N.Garcia, M. Munoz, and Y. W. Zhao, Phys. Rev. Lett. 82, 2923 (1999) S. Z. Hua and H. D. Chopra, Phys. Rev. B 67, 060401(R) (2003) )
In 1999, Garcia et al. Reported a BMR (Ballistic Magnetoresistance) effect which is a new magnetoresistance effect (Non-patent Document 4). In this research, two nickel thin wires having a diameter of 2 mm are fixed to a Teflon tube using a resin, and a tip is pressed against each other, thereby producing a magnetoresistive effect element having a local contact. When the magnetization directions of the two nickel thin wires are antiparallel, a domain wall is formed at the contact, and when the magnetization directions are parallel, the domain wall disappears. When a voltage is applied to both ends of two nickel wires and an electric current is passed so that electrons pass through the contacts, the electrical resistance when the domain wall is formed is larger than when there is no domain wall, and the rate of change in resistance Is as large as 280% as shown in Non-Patent Document 4. In subsequent studies, Non-Patent Document 5 reports a larger magnetoresistance change rate of 100,000%.
Japanese Patent Laid-Open No. 11-213650 J. et al. C. Slonzewski (J. Magn. Magn. Mater. 159, L1 (1996)) L. Berger (Phys. Rev. B 54, 9353 (1996)) Murakami et al. , Science 301 1348 (2003) N. Garcia, M.M. Munoz, and Y.M. W. Zhao, Phys. Rev. Lett. 82, 2923 (1999) S. Z. Hua and H.H. D. Chopra, Phys. Rev. B 67, 060401 (R) (2003))

しかしながらこれまでの報告ではBMR素子は直径数mmから数百μm程度の磁性ワイヤーを用いており、メモリ素子としては著しく大きなものであった。   However, in the reports so far, the BMR element uses a magnetic wire having a diameter of about several millimeters to several hundreds of micrometers, and is extremely large as a memory element.

例えば、現在の主流である、DRAM(ランダムアクセスメモリ)では、90nmルールが採用され、現在製品化が検討されているTMR素子を用いたMRAMにおいても、0.6μmルールあるいはそれ以下の配線ルールを用いて、メモリ素子の微小化が進んでいる。   For example, in the current mainstream DRAM (Random Access Memory), the 90 nm rule is adopted, and even in an MRAM using a TMR element currently being commercialized, a wiring rule of 0.6 μm or less is used. As a result, the miniaturization of memory elements is progressing.

したがって、BMR素子を用いたメモリを実現するためにはメモリ素子の更なる微小化の検討が必要である。   Therefore, in order to realize a memory using a BMR element, it is necessary to study further miniaturization of the memory element.

上記課題を解決するために、本発明の構成は、遷移金属元素の中から選ばれる少なくとも1種類の元素を含む第1の磁性体および第2の磁性体が、絶縁層中に層の面に垂直な方向に対向して設けられ、第1の磁性体および前記第2の磁性体が、接続部で接続され、接続部の第1の磁性体と第2の磁性体との接触面の面積が、少なくとも接続部と接する第1の磁性体および第2の磁性体の前記接続部を形成する平面に平行な断面積よりも小さく、接続部に電流が流れるように電圧を印加した場合、第1の磁性体および第2の磁性体の磁性体の磁化方向がなす角度によって電気抵抗が異なる(磁気抵抗変化率(MR比))ことを特徴とする。   In order to solve the above-described problems, the configuration of the present invention is such that a first magnetic body and a second magnetic body containing at least one element selected from transition metal elements are disposed on the surface of a layer in an insulating layer. The first magnetic body and the second magnetic body are provided so as to face each other in a vertical direction, and are connected at a connection portion. An area of a contact surface between the first magnetic body and the second magnetic body at the connection portion. Is smaller than the cross-sectional area parallel to the plane forming the connection part of the first magnetic body and the second magnetic body at least in contact with the connection part, and when a voltage is applied so that a current flows through the connection part, The electrical resistance varies depending on the angle formed by the magnetization directions of the first magnetic body and the second magnetic body (magnetic resistance change rate (MR ratio)).

本発明によれば、メモリ素子が高いMR比を有しているため、安定した情報の読み書きをすることが可能となり、簡易な構成で、小型で高い記録密度で、かつ高速であるメモリが実現できる。   According to the present invention, since the memory element has a high MR ratio, it is possible to read and write stable information, and a small configuration, a high recording density, and a high-speed memory are realized with a simple configuration. it can.

微細なBMR素子を作製することは、メモリの小型化のために必要である。その実現のために、本発明のBMR素子は、絶縁体膜中に、第1の磁性体および第2の磁性体を該絶縁体膜の膜面垂直方向に積層させて形成し、第1の磁性体および前記第2の磁性体は、接続部で接続し、接続部の第1の磁性体と第2の磁性体との接触面の面積を、少なくとも接続部と接する第1の磁性体および第2の磁性体の接続部を形成する平面に平行な断面積よりも小さくすることによって、微細な磁気抵抗効果膜を実現することが可能である。   Fabrication of a fine BMR element is necessary for miniaturization of the memory. To achieve this, the BMR element of the present invention is formed by laminating a first magnetic body and a second magnetic body in the insulator film in a direction perpendicular to the film surface of the insulator film. The magnetic body and the second magnetic body are connected at a connection portion, and the area of the contact surface between the first magnetic body and the second magnetic body of the connection portion is at least the first magnetic body in contact with the connection portion, and A fine magnetoresistive film can be realized by making it smaller than the cross-sectional area parallel to the plane forming the connecting portion of the second magnetic body.

第1の磁性体と第2の磁性体とは、接続部で直接接続していても、磁性体からなる接続領域に互いに対向して接触していても良い。第1の磁性体と第2の磁性体とが、接続部で直接接続する場合は、接触面の面積がこれらの接触面に平行な第1の磁性体と第2の磁性体との断面積よりも小さい必要がある。   The first magnetic body and the second magnetic body may be directly connected at the connection portion, or may be in contact with each other in a connection region made of the magnetic body. When the first magnetic body and the second magnetic body are directly connected at the connection portion, the cross-sectional area of the first magnetic body and the second magnetic body in which the area of the contact surface is parallel to these contact surfaces. Need to be smaller than.

接続部の上部に位置する磁性体と下部に位置する磁性体はそれらの磁化方向を平行あるいは反平行の2つの状態に制御できるように設計しておく。例えば、磁化方向を磁界の印加によって制御する場合は、2つの磁性体の磁化反転磁界(保磁力)は異なる大きさとする。あるいは、スピン注入によって磁化反転を行う場合は2つの磁性体を異なる体積としておくことで一方の磁性体のみ磁化反転可能である。   The magnetic body located at the upper part of the connecting portion and the magnetic body located at the lower part are designed so that their magnetization directions can be controlled in two states, parallel or antiparallel. For example, when the magnetization direction is controlled by applying a magnetic field, the magnetization reversal magnetic fields (coercive force) of the two magnetic bodies have different magnitudes. Alternatively, when magnetization reversal is performed by spin injection, it is possible to reverse the magnetization of only one of the two magnetic bodies by setting the two magnetic bodies to different volumes.

本発明の磁気抵抗効果素子の磁化反転をスピン注入によって行う場合、磁界を発生させる導線を素子の横に配置する必要がないので、さらに高密度でかつ高速なメモリ素子が実現可能である。   When the magnetization reversal of the magnetoresistive effect element of the present invention is performed by spin injection, it is not necessary to arrange a conducting wire for generating a magnetic field beside the element, so that a higher-density and high-speed memory element can be realized.

また、より小さなBMR素子を実現するためには、その磁性体は面内磁化膜よりも垂直磁化膜であることが好ましい。垂直磁化膜にはガドリニウムやテルビウムの希土類金属と鉄やコバルトの遷移金属からなるアモルファス合金膜が挙げられる。特に磁界印加によって磁化反転させる場合には保磁力の比較的小さなガドリニウムと遷移金属の合金を用いることが好ましい。   In order to realize a smaller BMR element, the magnetic material is preferably a perpendicular magnetization film rather than an in-plane magnetization film. Examples of the perpendicular magnetization film include an amorphous alloy film made of a rare earth metal such as gadolinium or terbium and a transition metal such as iron or cobalt. In particular, when the magnetization is reversed by applying a magnetic field, it is preferable to use an alloy of gadolinium and a transition metal having a relatively small coercive force.

磁性体を柱状形状あるいは針状形状などの膜面垂直方向に細長い形状である場合は、形状異方性によって磁化は膜面垂直方向に向く。この場合、磁性体は鉄、コバルトあるいはニッケル等の遷移金属が使用可能である。   When the magnetic material is elongated in the direction perpendicular to the film surface, such as a columnar shape or a needle shape, the magnetization is directed in the direction perpendicular to the film surface due to shape anisotropy. In this case, a transition metal such as iron, cobalt or nickel can be used as the magnetic material.

上記の様にBMR素子は磁気抵抗変化率が大きく、かつ著しく薄いトンネル障壁膜を形成する必要が無いので、磁気抵抗効果素子として有用であり、微細化することによって大容量不揮発固体メモリの記憶素子への応用が可能となる。   As described above, the BMR element has a large magnetoresistance change rate and does not require the formation of a remarkably thin tunnel barrier film. Therefore, the BMR element is useful as a magnetoresistive effect element. Application to is possible.

以下、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明する。
(第1の実施例)
本発明の第1の実施例を、図1の概略断面図を用いて説明する。基板面方位が(100)でオリエンテーションフラットが(110)面の結晶シリコンからなる基板100の表面と裏面とに一辺が(110)方向である長方形の被エッチング領域以外の領域を覆うようにレジストパターンを形成し、(111)面方位依存性のあるエッチング溶液である水酸化テトラメチルアンモニウム溶液に浸しエッチングを行い、鋸歯形状の溝を形成する。この際、基板100の表側から形成された溝の頂点が裏側から形成された溝の頂点と繋がるようにする。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described with reference to the schematic sectional view of FIG. A resist pattern is formed so as to cover a region other than the rectangular region to be etched whose one side is in the (110) direction on the front and back surfaces of the substrate 100 made of crystalline silicon having a substrate surface orientation of (100) and an orientation flat of (110). And is etched by immersing in a tetramethylammonium hydroxide solution which is an etching solution having a (111) plane orientation dependency to form a sawtooth-shaped groove. At this time, the apex of the groove formed from the front side of the substrate 100 is connected to the apex of the groove formed from the back side.

その後、レジストを剥離し、基板100の表面を酸化させることにより絶縁膜(図示せず)を基板100表面に形成する。図のようなテーパ形状を有する構成の場合には、本実施形態のようにウエットエッチングで行なうことが好ましい。   Thereafter, the resist is removed, and the surface of the substrate 100 is oxidized to form an insulating film (not shown) on the surface of the substrate 100. In the case of a configuration having a tapered shape as shown in the figure, it is preferable to perform the wet etching as in this embodiment.

尚、絶縁膜は通常の熱酸化法あるいは、気相成長法により形成することができる。その後、基板100の一方の面にガドリニウム、鉄、コバルトからなるアモルファス合金膜を、基板100の他方の面にテルビウム、鉄、コバルトからなるアモルファス合金膜をスパッタリングし、基板100の窪みの中に第1の磁性体201と第2の磁性体202を形成する(図1(a))。この結果、第1の磁性体201と第2の磁性体202とは、絶縁膜で囲われた溝中に形成され、該溝の頂点で接続された構造となる。   The insulating film can be formed by a normal thermal oxidation method or a vapor phase growth method. Thereafter, an amorphous alloy film made of gadolinium, iron, and cobalt is sputtered on one surface of the substrate 100, and an amorphous alloy film made of terbium, iron, and cobalt is sputtered on the other surface of the substrate 100. First magnetic body 201 and second magnetic body 202 are formed (FIG. 1A). As a result, the first magnetic body 201 and the second magnetic body 202 are formed in a groove surrounded by an insulating film and are connected at the apex of the groove.

ガドリニウム、鉄、コバルトからなる第1の磁性体201は、テルビウム、鉄、コバルトからなる第2の磁性体202よりも保磁力が小さい。従って、第1の磁性体201の保磁力よりも大きく、かつ第2の磁性体202の保磁力よりも小さな外部磁界を印加すると、第1の磁性体の磁化方向のみ所望の方向に向けることが可能である。   The first magnetic body 201 made of gadolinium, iron, and cobalt has a smaller coercive force than the second magnetic body 202 made of terbium, iron, and cobalt. Therefore, when an external magnetic field larger than the coercive force of the first magnetic body 201 and smaller than the coercive force of the second magnetic body 202 is applied, only the magnetization direction of the first magnetic body can be directed in a desired direction. Is possible.

この結果、基板面に対して垂直方向に磁化容易軸を有する磁気抵抗効果素子を得ることができる。   As a result, a magnetoresistive element having an easy axis of magnetization in the direction perpendicular to the substrate surface can be obtained.

磁界印加の他にスピン注入によって磁化反転させることも可能である。ただしこの場合2つの磁性体を異なる体積とし、磁化反転させる磁性体の体積は、磁化反転させない磁性体の体積よりも小さくしておくことが好ましい。   In addition to applying a magnetic field, the magnetization can be reversed by spin injection. However, in this case, it is preferable that the two magnetic bodies have different volumes, and the volume of the magnetic body to be reversed is smaller than the volume of the magnetic body that is not reversed.

第1の磁性体201と第2の磁性体202との体積を異なるものにする方法としては、例えば、一方の面に形成するレジストパターンの長方形の被エッチング領域の(110)面に垂直な辺を、他方の面に形成する長方形の被エッチング領域の辺よりも短くしておくことにより、被エッチング領域が小さな方は、エッチングの性質によりエッチングされる体積が小さくなり、従ってその溝の中に形成される磁性体の体積を少なくすることが可能である。
(第2の実施例)
本実施例について、図2を用いて説明する。シリコンからなる基板100(図示せず)上に1.2μmの厚さの第1のアルミ膜を成膜し、FIB(Focused Ion Beam)を用いて所望の位置に窪みを形成し空孔の起点とする。第1のアルミ膜全体を陽極酸化処理することによって直径数10nmの空孔を空けると共にアルミを第1の絶縁体(層)101とする。上記陽極酸化処理は、従来の方法を用いることが可能であり、シュウ酸溶液中にアルミ膜を入れこれを陽極としてパルス電圧を印加し水を電気分解する。陽極から発生した酸素はアルミ膜と反応し、酸化アルミ膜となる。このときFIBによって形成した窪みを基点として微細な空孔が形成される。
As a method for making the first magnetic body 201 and the second magnetic body 202 have different volumes, for example, a side perpendicular to the (110) plane of the rectangular etched region of the resist pattern formed on one surface Is shorter than the side of the rectangular etched region formed on the other surface, the smaller the etched region, the smaller the volume etched due to the nature of the etching, and therefore in the groove. It is possible to reduce the volume of the formed magnetic material.
(Second embodiment)
This embodiment will be described with reference to FIG. A first aluminum film having a thickness of 1.2 μm is formed on a substrate 100 (not shown) made of silicon, and a hollow is formed at a desired position by using FIB (Focused Ion Beam). And By subjecting the entire first aluminum film to anodization, holes having a diameter of several tens of nanometers are formed and aluminum is used as the first insulator (layer) 101. A conventional method can be used for the anodizing treatment. An aluminum film is placed in an oxalic acid solution, and this is used as an anode to apply a pulse voltage to electrolyze water. Oxygen generated from the anode reacts with the aluminum film to form an aluminum oxide film. At this time, fine holes are formed with the depression formed by FIB as a base point.

その後、電着により空孔にコバルトを充填し、得られた構造体の表面を研磨し、空孔からはみ出ているコバルトを除去し、柱状構造の第1の磁性体201を形成する。さらにアルミとシリコンとを同時にスパッタリングし、シリコン膜中に直径数nmのアルミ柱状構造が形成された膜厚20nmの共晶薄膜121を形成した。   Thereafter, the holes are filled with cobalt by electrodeposition, the surface of the obtained structure is polished, the cobalt protruding from the holes is removed, and the first magnetic body 201 having a columnar structure is formed. Further, aluminum and silicon were simultaneously sputtered to form a 20 nm thick eutectic thin film 121 in which an aluminum columnar structure having a diameter of several nm was formed in the silicon film.

本発明では、磁壁をできるだけ薄く形成させることでより大きい磁気抵抗変化が期待できるので、アルミ柱状構造が形成された共晶薄膜の膜厚は薄く形成するほうが好ましい。現在の技術では、5nm以上の膜厚が有れば共昌薄膜が形成されると言われている。   In the present invention, since a greater change in magnetoresistance can be expected by forming the domain wall as thin as possible, it is preferable to form the eutectic thin film on which the aluminum columnar structure is formed thin. According to the current technology, it is said that if the film thickness is 5 nm or more, a Kyochang thin film is formed.

さらに400nmの厚さの第2のアルミ膜を成膜し、第2のアルミ膜の、第1の磁性体201の直上に位置するように、前述のFIBを用いて第2のアルミ膜表面に空孔の基点となる窪みを形成し、さらに陽極酸化によって第2のアルミ膜に空孔を空けるとともに第2のアルミ膜を陽極酸化処理し第2の絶縁体(層)102とする。   Further, a second aluminum film having a thickness of 400 nm is formed, and the second aluminum film is formed on the surface of the second aluminum film by using the above-described FIB so that the second aluminum film is positioned immediately above the first magnetic body 201. A recess serving as a base point of a hole is formed, and a hole is formed in the second aluminum film by anodic oxidation, and the second aluminum film is anodized to form a second insulator (layer) 102.

このときアルミとシリコンからなる薄膜121には、アルミが除去され、薄膜121を貫通する複数の微細な空孔が空く。   At this time, the aluminum is removed from the thin film 121 made of aluminum and silicon, and a plurality of fine holes penetrating the thin film 121 are formed.

その後、薄膜121に残存するシリコンを酸化処理して絶縁体とした後、電着によってコバルトを充填し、得られた構造体の表面を研磨し、空孔からはみ出ているコバルトを除去する。この結果、第2の絶縁体102に柱状の第2の磁性体202と薄膜121に形成された微細な柱状の磁性体とが形成される。第1の磁性体201と第2の磁性体202とは薄膜121に形成された複数の微細な柱状の磁性体により局部的に結合した構造を持つ磁気抵抗効果素子膜が形成される(図2)。   Thereafter, the silicon remaining in the thin film 121 is oxidized to form an insulator, and then filled with cobalt by electrodeposition, and the surface of the obtained structure is polished to remove cobalt protruding from the holes. As a result, the columnar second magnetic body 202 and the fine columnar magnetic body formed on the thin film 121 are formed on the second insulator 102. A magnetoresistive element film having a structure in which the first magnetic body 201 and the second magnetic body 202 are locally coupled by a plurality of fine columnar magnetic bodies formed on the thin film 121 is formed (FIG. 2). ).

磁性体201と202とは、絶縁体(層)の膜の面内方向の長さよりも層の面に垂直方向の長さが長い形状をしている。この形状異方性から、共に層の面に垂直方向に磁気異方性を有し、かつ形状の違いから異なる磁化反転磁界を有する。したがって外部磁界を印加することによって一方の磁性体の磁化方向のみ反転することが可能であり、2つの磁性体の磁化方向が反平行であるとき局所的な結合部分に磁壁が形成される。先述のように、2つの磁性体の磁化方向が反平行であるときは、それらが平行であるときに比して電気抵抗が高い。   The magnetic bodies 201 and 202 have a shape in which the length in the direction perpendicular to the surface of the layer is longer than the length in the in-plane direction of the film of the insulator (layer). Due to this shape anisotropy, both have magnetic anisotropy in the direction perpendicular to the plane of the layer, and have different magnetization reversal fields due to the difference in shape. Therefore, it is possible to reverse only the magnetization direction of one magnetic body by applying an external magnetic field, and when the magnetization directions of the two magnetic bodies are antiparallel, a domain wall is formed at a local coupling portion. As described above, when the magnetization directions of two magnetic bodies are antiparallel, the electric resistance is higher than when they are parallel.

本実施例では磁性体としてコバルトを用いたが、磁気抵抗効果を示す磁性体であれば何でもよく、例えば鉄やニッケル等が使用可能である。
(第3の実施例)
本実施例について図3を用いて説明する。シリコンからなる基板100(図示せず)上に1μmの厚さの第1のアルミ膜を成膜し、所望の位置に針を押し付けることにより窪みを形成し空孔の起点とする。起点の形成はもちろん第2の実施例に記載のようにFIBで形成しても構わない。
In this embodiment, cobalt is used as the magnetic material. However, any magnetic material exhibiting a magnetoresistive effect may be used. For example, iron or nickel can be used.
(Third embodiment)
This embodiment will be described with reference to FIG. A first aluminum film having a thickness of 1 μm is formed on a substrate 100 (not shown) made of silicon, and a dent is formed by pressing a needle at a desired position to be a starting point of a hole. Of course, the starting point may be formed by FIB as described in the second embodiment.

次に該第1のアルミ膜を陽極酸化処理することによって直径数10nmの空孔を空けると共にアルミを第1の絶縁体(層)101とする。その後、電着により空孔にコバルトを充填し、得られた構造体の表面を研磨し、空孔からはみ出ているコバルトを除去し、柱状構造の第1の磁性体201を形成する。その後、第2の実施例と同様に、アルミとシリコンを同時にスパッタリングし、シリコン膜中に直径数nmのアルミ柱状構造が形成された膜厚20nmの共晶薄膜121を形成し、さらに1μmの厚さの第2のアルミ膜を成膜する。   Next, the first aluminum film is anodized to open holes with a diameter of several tens of nanometers, and aluminum is used as the first insulator (layer) 101. Thereafter, the holes are filled with cobalt by electrodeposition, the surface of the obtained structure is polished, the cobalt protruding from the holes is removed, and the first magnetic body 201 having a columnar structure is formed. Thereafter, as in the second embodiment, aluminum and silicon are simultaneously sputtered to form a 20 nm-thick eutectic thin film 121 in which an aluminum columnar structure having a diameter of several nm is formed in the silicon film, and further to a thickness of 1 μm. A second aluminum film is formed.

第1のアルミ膜に空孔を設けると同様な手法を用い、第2のアルミ膜の第1の磁性体201の直上に位置するように陽極酸化によって空孔を空けるとともにアルミ膜を陽極酸化し第2の絶縁体(層)102とする。このときアルミとシリコンからなる薄膜121は、アルミが除去され微細な空孔が空く。残存したシリコンを酸化処理して絶縁体とした後、電着によってコバルトを充填し、得られた構造体の表面を研磨し、空孔からはみ出ているコバルトを除去する。以上の工程によって絶縁層膜中に柱状構造の磁性体201と202とが、薄膜121に形成された複数の微細な柱状の磁性体により局部的に結合した構造が形成される。   When a hole is provided in the first aluminum film, a hole is formed by anodization so that the hole is located immediately above the first magnetic body 201 of the second aluminum film, and the aluminum film is anodized. The second insulator (layer) 102 is used. At this time, in the thin film 121 made of aluminum and silicon, the aluminum is removed and fine pores are formed. After the remaining silicon is oxidized to form an insulator, cobalt is filled by electrodeposition, and the surface of the resulting structure is polished to remove cobalt protruding from the holes. Through the above steps, a structure in which the columnar structure magnetic bodies 201 and 202 are locally coupled by the plurality of fine columnar magnetic bodies formed in the thin film 121 is formed in the insulating layer film.

次に、第2の磁性体202の磁化方向は層の面に垂直な方向の上下どちらかの向きに揃える。   Next, the magnetization direction of the second magnetic body 202 is aligned in either the upper or lower direction perpendicular to the layer surface.

その後、第2の磁性体202の上部にマンガンとプラチナからなる反強磁性体211を形成する。反強磁性体211を形成することによって反強磁性体211の一方向異方性を誘起させる。この結果、図3に示す磁気抵抗効果素子が形成される。   Thereafter, an antiferromagnetic material 211 made of manganese and platinum is formed on the second magnetic material 202. By forming the antiferromagnetic material 211, the unidirectional anisotropy of the antiferromagnetic material 211 is induced. As a result, the magnetoresistive effect element shown in FIG. 3 is formed.

第1の磁性体201と第2の磁性体202の磁化方向がともに反強磁性体211の一方向異方性の方向に揃っている場合、第2の磁性体202は反強磁性体211と交換結合しており、磁化方向と反平行な方向に外部磁界を印加すると、第1の磁性体の磁化方向は第2の磁性体の磁化方向よりも小さな磁界で磁化反転させることが可能である。
(第4の実施例)
第2の実施例に記載の磁気抵抗効果素子は、第1の磁性体201と第2の磁性体202の体積が異なるためスピン注入による磁化反転も可能である。
When the magnetization directions of the first magnetic body 201 and the second magnetic body 202 are aligned in the direction of unidirectional anisotropy of the antiferromagnetic body 211, the second magnetic body 202 is separated from the antiferromagnetic body 211. When an external magnetic field is applied in a direction that is exchange coupled and antiparallel to the magnetization direction, the magnetization direction of the first magnetic body can be reversed by a magnetic field smaller than the magnetization direction of the second magnetic body. .
(Fourth embodiment)
In the magnetoresistive effect element described in the second embodiment, since the volumes of the first magnetic body 201 and the second magnetic body 202 are different, magnetization reversal by spin injection is also possible.

スピン注入を行うには第2の磁性膜202の上部に非磁性金属膜103を形成し、さらに連続して第4の磁性体204を形成する。   In order to perform spin injection, the nonmagnetic metal film 103 is formed on the second magnetic film 202, and the fourth magnetic body 204 is formed continuously.

第3の実施例と同様にシリコンとアルミからなる共晶薄膜121まで形成し、その後十分に厚い第2のアルミ膜を成膜する。アルミ膜を陽極酸化して作製した第2の絶縁体202の空孔中に、第2の磁性体202、非磁性金属103そして第4の磁性体204を連続して形成する。このとき非磁性金属103の膜厚はスピンが反転しない厚さ、つまりスピン緩和長よりも薄くしておく。膜厚は磁性体202と非磁性金属103により変化するので材料により適宜変更する必要がある。   Similarly to the third embodiment, a eutectic thin film 121 made of silicon and aluminum is formed, and then a sufficiently thick second aluminum film is formed. A second magnetic body 202, a nonmagnetic metal 103, and a fourth magnetic body 204 are successively formed in the holes of the second insulator 202 produced by anodizing the aluminum film. At this time, the film thickness of the nonmagnetic metal 103 is set to be thinner than the thickness at which spin is not reversed, that is, the spin relaxation length. Since the film thickness varies depending on the magnetic body 202 and the non-magnetic metal 103, it is necessary to appropriately change the thickness depending on the material.

第1の磁性体201および第4の磁性体204はスピン注入時に磁化が反転しないような大きな体積とする。例えば、第2のアルミ膜の厚さを3μmとし、これを陽極酸化し、第1の磁性体201の上部に空孔を形成すると同時にアルミ膜を酸化させる。次いで第2の磁性体202として電着により300nmのコバルト、非磁性金属103として5nmの厚さの銅、さらに第2の磁性体202としてコバルトを膜表面まで充填する(図4)。   The first magnetic body 201 and the fourth magnetic body 204 have large volumes so that magnetization is not reversed at the time of spin injection. For example, the thickness of the second aluminum film is 3 μm, and this is anodized to form holes in the upper portion of the first magnetic body 201 and simultaneously oxidize the aluminum film. Next, as the second magnetic body 202, 300 nm of cobalt is electrodeposited by electrodeposition, 5 nm thick copper is filled as the nonmagnetic metal 103, and cobalt as the second magnetic body 202 is filled up to the film surface (FIG. 4).

第4の磁性体204の磁化方向は第1の磁性体201の磁化方向と平行とする。第4の磁性体204の磁化と第2の磁性体202の磁化の方向が反平行であり、第2の磁性体202の磁化方向を第4の磁性体204の磁化方向に揃える場合、第4の磁性体204からスピン偏極した電子を、非磁性金属103を通じて第2の磁性体202へ注入する。すると電子のスピンと第2の磁性体202の磁化の相互作用により、第2の磁性体202の磁化は第4の磁性体204の磁化方向と平行となる。逆に第2の磁性体202の磁化方向を第4の磁性体204の磁化方向に対して反平行に向ける場合は、第2の磁性体202の方から電子を注入する。注入された電子はスピン偏極し、第4の磁性体204の磁化方向と平行なスピンを持つ電子は、非磁性金属103を通って第4の磁性体204を通り抜けていく。   The magnetization direction of the fourth magnetic body 204 is parallel to the magnetization direction of the first magnetic body 201. When the magnetization direction of the fourth magnetic body 204 and the magnetization direction of the second magnetic body 202 are antiparallel, the magnetization direction of the second magnetic body 202 is aligned with the magnetization direction of the fourth magnetic body 204. The spin-polarized electrons from the magnetic body 204 are injected into the second magnetic body 202 through the nonmagnetic metal 103. Then, due to the interaction between the spin of electrons and the magnetization of the second magnetic body 202, the magnetization of the second magnetic body 202 is parallel to the magnetization direction of the fourth magnetic body 204. Conversely, when the magnetization direction of the second magnetic body 202 is directed antiparallel to the magnetization direction of the fourth magnetic body 204, electrons are injected from the second magnetic body 202. The injected electrons are spin-polarized, and electrons having a spin parallel to the magnetization direction of the fourth magnetic body 204 pass through the fourth magnetic body 204 through the nonmagnetic metal 103.

しかし、第4の磁性体204と反平行なスピンを持つ電子は、第4の磁性体204と非磁性金属103との界面で反射され、再び第2の磁性体202へ注入される。この電子の注入によって第2の磁性体202の磁化は反転する。第4の磁性体204と第1の磁性体201は体積が大きいために磁化反転せず、第1の磁性体201と第2の磁性体202の界面には磁壁が形成される。スピン注入方で磁化反転に必要な電流量は第1の磁性体201と第4の磁性体204が磁化反転可能で、第2の磁性体202が磁化反転しないように決められる。情報記録回路に関しては、従来の単純マトリクス方式とほぼ同じであるが、従来の単純マトリクス方式では磁界記録方式が一般的であるため、検出回路と記録回路が別になっている。それに対して、スピン注入記録を用いる場合は検出回路と記録回路の共有部分があり、磁界記録単純マトリクス方式の検出回路の選択トランジスタまでが共有部分となる。選択トランジスタの先に検出回路と電源が接続され、これらはスイッチによって切り替えるようにしておけばよい。
(第5の実施例)
本実施例について、図5を用いて説明する。第1のアルミ膜を1.5μm成膜し、所望の位置に針を押し付けることによってエッチングの起点となる窪みを形成する。陽極酸化することによって柱状の空孔を形成するとともにアルミを酸化させる。
However, electrons having spins antiparallel to the fourth magnetic body 204 are reflected at the interface between the fourth magnetic body 204 and the nonmagnetic metal 103 and are injected into the second magnetic body 202 again. The magnetization of the second magnetic body 202 is reversed by this electron injection. Since the fourth magnetic body 204 and the first magnetic body 201 have a large volume, the magnetization is not reversed, and a domain wall is formed at the interface between the first magnetic body 201 and the second magnetic body 202. The amount of current required for the magnetization reversal in the spin injection method is determined so that the first magnetic body 201 and the fourth magnetic body 204 can be reversed, and the second magnetic body 202 does not reverse the magnetization. The information recording circuit is almost the same as the conventional simple matrix method, but since the magnetic recording method is common in the conventional simple matrix method, the detection circuit and the recording circuit are separated. On the other hand, in the case of using spin injection recording, there is a shared portion between the detection circuit and the recording circuit, and even the selection transistor of the detection circuit of the magnetic field recording simple matrix system is the shared portion. A detection circuit and a power source are connected to the tip of the selection transistor, and these may be switched by a switch.
(Fifth embodiment)
This embodiment will be described with reference to FIG. A first aluminum film is formed to a thickness of 1.5 μm, and a dent is formed as a starting point of etching by pressing a needle at a desired position. Anodizing forms columnar holes and oxidizes aluminum.

次に、空孔中に電着によって第1の磁性体201としてコバルトを充填し、空孔からはみ出ているコバルトを除去する。その後、試料表面上にさらに第2のアルミ膜を500nm成膜する。第1の磁性体201の直径よりもわずかに短い距離だけずらして、第2のアルミ膜表面に針を押し付けエッチングの起点となる窪みを形成し、陽極酸化により空孔を空ける。この空孔に第2の磁性体202となるコバルトを電着により充填し、空孔からはみ出ているコバルトを除去する。   Next, cobalt is filled in the holes as the first magnetic body 201 by electrodeposition, and the cobalt protruding from the holes is removed. Thereafter, a second aluminum film is further formed to a thickness of 500 nm on the sample surface. By shifting the distance slightly shorter than the diameter of the first magnetic body 201, a dent is formed on the surface of the second aluminum film by pressing a needle to form an etching starting point, and holes are formed by anodization. The vacancies are filled with cobalt to be the second magnetic body 202 by electrodeposition, and the cobalt protruding from the vacancies is removed.

第1の磁性体201の直径よりもわずかに短い距離だけずらして、第2のアルミ膜表面に針を押し付けエッチングの起点となる窪みを形成し、陽極酸化により空孔を空けることにより、第1の磁性体201と第2の磁性体202は図5に示すように局部的に結合するように形成される。第1の磁性体201および第2の磁性体202には、磁気抵抗効果を示すものであればどのような材料でも使用可能であり、コバルト以外にも例えば鉄やニッケルが挙げられる。   The first magnetic body 201 is shifted by a distance slightly shorter than the diameter of the first magnetic body 201, a dent is formed on the surface of the second aluminum film by pressing a needle to form an etching start point, and vacancy is formed by anodization. The magnetic body 201 and the second magnetic body 202 are formed so as to be locally coupled as shown in FIG. Any material can be used for the first magnetic body 201 and the second magnetic body 202 as long as they exhibit a magnetoresistive effect. Examples of the first magnetic body 201 and the second magnetic body 202 include iron and nickel other than cobalt.

第1の磁性体201は第2の磁性体202に比して大きな磁化反転磁界(保磁力)を持つ。初期状態で第1の磁性体201と第2の磁性体202の磁化方向が平行だとすると、この磁化方向と反平行に磁界を印加すると第2の磁性体202の磁化のみ反転し、第1の磁性体201および第2の磁性体202の界面には磁壁が形成される。また、磁化が反平行である場合、平行であるときよりも大きな電気抵抗を示す。   The first magnetic body 201 has a magnetization reversal magnetic field (coercive force) larger than that of the second magnetic body 202. Assuming that the magnetization directions of the first magnetic body 201 and the second magnetic body 202 are parallel in the initial state, when the magnetic field is applied in antiparallel to the magnetization direction, only the magnetization of the second magnetic body 202 is reversed, and the first magnetic body A domain wall is formed at the interface between the body 201 and the second magnetic body 202. Further, when the magnetization is antiparallel, the electric resistance is larger than when the magnetization is parallel.

さらに本実施例の膜構成の磁気抵抗効果素子は、第1の磁性体201と第2の磁性体202の体積が異なるために、スピン注入によって第2の磁性体202の磁化方向のみ反転させることが可能である。
(第6の実施例)
本発明の磁気抵抗効果素子をメモリ素子として不揮発メモリが実現可能である。p型シリコンウエハー104表面に形成したソースおよびドレイン領域となるn型拡散領域105、106と、該n型拡散領域105,106の間に、シリコンウエハー104とゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極107とを有するn型のMOS(NMOS)トランジスタを有している。
Further, in the magnetoresistive effect element having the film configuration of the present embodiment, since the first magnetic body 201 and the second magnetic body 202 have different volumes, only the magnetization direction of the second magnetic body 202 is reversed by spin injection. Is possible.
(Sixth embodiment)
A nonvolatile memory can be realized using the magnetoresistive effect element of the present invention as a memory element. n-type diffusion regions 105 and 106 to be source and drain regions formed on the surface of the p-type silicon wafer 104, and a gate formed between the n-type diffusion regions 105 and 106 via the silicon wafer 104 and a gate insulating film An n-type MOS (NMOS) transistor having an electrode 107 is included.

この素子選択用のスイッチトランジスタは周辺回路と同時にCMOSプロセスで形成することが好ましい。n型拡散領域105上にはコンタクトプラグ108が形成され、選択用トランジスタと磁気抵抗効果素子を電気的に接続する。第3の実施例に記載した製造方法と同様にしてコバルトからなる第1の磁性体201と第2の磁性体202が局部的に結合した構造を形成する。さらに第2の磁性体にテルビウム、鉄そしてコバルトからなる第3の磁性体203であるアモルファス合金垂直磁化膜203を成膜し、第2の磁性体202の磁化方向を固定する。ただし、第3の磁性体203の組成は補償組成付近とし、大きな保磁力を持たせ外部磁化によって容易に反転しないようにしておく。   The switch transistor for element selection is preferably formed by a CMOS process simultaneously with the peripheral circuit. A contact plug 108 is formed on the n-type diffusion region 105 to electrically connect the selection transistor and the magnetoresistive element. In the same manner as the manufacturing method described in the third embodiment, a structure in which the first magnetic body 201 made of cobalt and the second magnetic body 202 are locally coupled is formed. Further, an amorphous alloy perpendicular magnetization film 203 that is a third magnetic body 203 made of terbium, iron, and cobalt is formed on the second magnetic body, and the magnetization direction of the second magnetic body 202 is fixed. However, the composition of the third magnetic body 203 is in the vicinity of the compensation composition so as to have a large coercive force so that it is not easily reversed by external magnetization.

第1の磁性体201の近くに書き込み線111および112を配し、これに電流を流すことによって第1の磁性体201に膜面垂直方向の磁界を印加できるようにする。ただし、所望のメモリ素子に記録を行う場合には、書き込み線111および112に電流を流すと同時に所望のメモリ素子に接続されているビット線113にも電流を流し、第1の磁性体201に膜面内方向の磁界を印加することにより第1の磁性体201の磁化を反転させ、所望のメモリ素子のみ選択的に記録を行う。書き込み線111,112には図示しない電流を双方向に流すことが可能な電源が接続されており、書き込み線、電源によって情報記録手段を構成している。また、ビット線の一端には、磁気抵抗効果素子の抵抗を検出するための回路が接続され、このビット線と該回路によって情報検出手段を構成している。検出するための回路としては、差動アンプなどを用いればよい。
またゲート電極107には、情報の読み出しの際に所望の素子を選択するためのワード線が接続されている。
(第7の実施例)
本発明の、第4の実施例に記載の磁気抵抗効果素子をメモリ素子として用い、情報の記録方法にスピン注入を用いることによって、図7に示す、ように、本発明の磁気抵抗効果素子をビット線とワード線との間に本発明の磁気抵抗効果素子を挟んだ、クロスポイント型構造が取れる。
The write lines 111 and 112 are arranged in the vicinity of the first magnetic body 201, and a current is allowed to flow therethrough so that a magnetic field perpendicular to the film surface can be applied to the first magnetic body 201. However, when recording is performed in a desired memory element, a current is also passed through the write lines 111 and 112 and simultaneously a current is passed through the bit line 113 connected to the desired memory element. By applying a magnetic field in the in-plane direction, the magnetization of the first magnetic body 201 is reversed, and only a desired memory element is selectively recorded. The write lines 111 and 112 are connected to a power source capable of flowing a current (not shown) bidirectionally, and the information recording means is constituted by the write lines and the power source. A circuit for detecting the resistance of the magnetoresistive effect element is connected to one end of the bit line, and the bit line and the circuit constitute information detection means. A differential amplifier or the like may be used as a circuit for detection.
The gate electrode 107 is connected to a word line for selecting a desired element when reading information.
(Seventh embodiment)
By using the magnetoresistive effect element according to the fourth embodiment of the present invention as a memory element and using spin injection for the information recording method, the magnetoresistive effect element of the present invention is obtained as shown in FIG. A cross-point structure in which the magnetoresistive effect element of the present invention is sandwiched between a bit line and a word line can be taken.

情報の記録は所望の磁気抵抗効果素子に接続されたビット線とワード線に記録する情報に対応した方向の電流を流して行う。また、情報の読み出しは、記録動作と同様にビット線とワード線に、磁気抵抗効果素子の磁化が反転しないような小さな電流を流し、素子の抵抗値の違いを検出することによって行う。   Information is recorded by passing a current in a direction corresponding to information recorded on the bit line and the word line connected to the desired magnetoresistive element. In addition, information is read by passing a small current that does not reverse the magnetization of the magnetoresistive effect element to the bit line and the word line as in the recording operation, and detecting a difference in the resistance value of the element.

本発明のBMR磁気抵抗素子は、TMR素子を用いたクロスポント型のメモリ例えば、特開2000−315382号公報等と同様な構成と動作を行う。TMR素子に比べ、本発明のBMR素子はMR比が10倍以上高く、セル面積を1/10以下にすることができるので、検出回路の構成を簡略化でき、更に、記憶密度が高いメモリを得ることができる。   The BMR magnetoresistive element of the present invention performs the same configuration and operation as a cross-point type memory using a TMR element, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2000-315382. Compared with the TMR element, the BMR element of the present invention has an MR ratio of 10 times or more and the cell area can be reduced to 1/10 or less, so that the configuration of the detection circuit can be simplified and a memory with a high storage density can be obtained. Can be obtained.

本発明の磁気抵抗効果素子の構造を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the magnetoresistive effect element of this invention. 本発明の磁気抵抗効果素子の構造を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the magnetoresistive effect element of this invention. 本発明の磁気抵抗効果素子の構造を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the magnetoresistive effect element of this invention. 本発明の磁気抵抗効果素子の構造を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the magnetoresistive effect element of this invention. 本発明の磁気抵抗効果素子の構造を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the magnetoresistive effect element of this invention. 本発明の磁気抵抗効果素子をメモリ素子として用いたメモリ素子の実施例を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the Example of the memory element which used the magnetoresistive effect element of this invention as a memory element. 本発明の磁気抵抗効果素子をメモリ素子として用いたメモリの構造を模式的に示す鳥瞰図である。It is a bird's-eye view which shows typically the structure of the memory which used the magnetoresistive effect element of this invention as a memory element. 磁気抵抗効果膜の基本的膜構成と磁化の方向を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the basic film structure and magnetization direction of a magnetoresistive effect film | membrane.

符号の説明Explanation of symbols

100 基板
101 第1の絶縁体
102 第2の絶縁体
103 非磁性金属膜
104 p型シリコン基板
105 n型拡散領域
106 n型拡散領域
107 ゲート電極(ワード線)
108 コンタクトプラグ
109 コンタクトプラグ
110 ソース電極
111 書き込み線
112 書き込み線
113 ビット線
114 ワード線
121 共晶薄膜
200 磁気抵抗効果素子
201 第1の磁性体
202 第2の磁性体
203 第3の磁性体
204 第4の磁性体
211 反強磁性体
301 磁性膜
302 磁性膜
303 非磁性膜

100 substrate 101 first insulator 102 second insulator 103 nonmagnetic metal film 104 p-type silicon substrate 105 n-type diffusion region 106 n-type diffusion region 107 gate electrode (word line)
108 contact plug 109 contact plug 110 source electrode 111 write line 112 write line 113 bit line 114 word line 121 eutectic thin film 200 magnetoresistive effect element 201 first magnetic body 202 second magnetic body 203 third magnetic body 204 third 4 Magnetic material 211 Antiferromagnetic material 301 Magnetic film 302 Magnetic film 303 Nonmagnetic film

Claims (13)

絶縁層中に層の面に垂直な方向に対向して設けられた第1の磁性体および第2の磁性体が、接続部で接続され、前記第1の磁性体及び第2の磁性体は、遷移金属元素の中から選ばれる少なくとも1種類の元素を含み、
前記接続部の前記第1の磁性体と前記第2の磁性体との接触面の面積が、少なくとも前記第1の磁性体および前記第2の磁性体の前記接続部を形成する平面に平行な断面積よりも小さく、
前記第1の磁性体および前記第2の磁性体の磁性体の磁化方向がなす角度によって電気抵抗が異なることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
A first magnetic body and a second magnetic body provided in the insulating layer so as to face each other in a direction perpendicular to the surface of the layer are connected at a connection portion, and the first magnetic body and the second magnetic body are , Including at least one element selected from transition metal elements,
An area of a contact surface between the first magnetic body and the second magnetic body of the connection portion is parallel to at least a plane that forms the connection portion of the first magnetic body and the second magnetic body. Smaller than the cross-sectional area,
A magnetoresistive effect element, wherein an electric resistance varies depending on an angle formed by magnetization directions of the first magnetic body and the magnetic body of the second magnetic body.
前記第1の磁性体および該第2の磁性体はともに前記絶縁体膜の膜面内方向の長さよりも膜面垂直方向の長さが長いことを特徴とする請求項1に記載の磁気抵抗効果素子。   2. The magnetoresistance according to claim 1, wherein both of the first magnetic body and the second magnetic body have a length in a direction perpendicular to a film surface longer than a length in a film surface direction of the insulator film. Effect element. 前記磁性膜は前記絶縁膜の膜面垂直方向に磁化容易軸を有することを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。   The magnetoresistive effect element according to claim 1, wherein the magnetic film has an easy axis of magnetization in a direction perpendicular to the film surface of the insulating film. 前記第1の磁性体および該第2の磁性体のうち少なくとも一方は、希土類から選ばれる少なくとも1種類の元素と遷移金属から選ばれる少なくとも1種類の元素の合金であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子。   The at least one of the first magnetic body and the second magnetic body is an alloy of at least one element selected from rare earths and at least one element selected from transition metals. The magnetoresistive effect element of any one of 1-3. 前記第1の磁性体あるいは前記第2の磁性体のいずれか一方が一方向異方性を有する反強磁性体と交換結合していることを特徴とする請求項1から4に記載のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子。   5. The switch according to claim 1, wherein either the first magnetic body or the second magnetic body is exchange coupled with an antiferromagnetic body having unidirectional anisotropy. 2. The magnetoresistive effect element according to item 1. 前記第1の磁性体あるいは前記第2の磁性体のいずれか一方が前記第1の磁性体および前記第2の磁性体の保磁力よりも大きな保磁力を有する第3の磁性体と交換結合していることを特徴とする請求項1から4に記載のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子。   Either the first magnetic body or the second magnetic body is exchange-coupled with a third magnetic body having a coercive force larger than that of the first magnetic body and the second magnetic body. The magnetoresistive effect element according to any one of claims 1 to 4, wherein the magnetoresistive effect element is provided. 前記第1の磁性体と第2の磁性体の接合部が共晶薄膜であることを特徴とする、請求項1から6のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子。   The magnetoresistive effect element according to any one of claims 1 to 6, wherein a joint portion between the first magnetic body and the second magnetic body is a eutectic thin film. 前記第1の磁性体と第2の磁性体が膜平面方向でずれて形成され、第1の磁性体の上端部と第2の磁性体の下端部が結合していることを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子。   The first magnetic body and the second magnetic body are formed so as to be shifted in the film plane direction, and an upper end portion of the first magnetic body and a lower end portion of the second magnetic body are coupled to each other. Item 8. The magnetoresistive element according to any one of Items 1 to 7. 請求項1から8のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子をメモリ素子とし、記録する情報に対応させて該メモリ素子の磁化を所望の方向に向ける記録手段と、該メモリ素子に電流を流すことにより該メモリ素子の磁化方向を検出する検出手段を有するメモリ。   9. A magnetoresistive element according to claim 1, wherein the magnetoresistive element is a memory element, recording means for directing magnetization of the memory element in a desired direction in accordance with information to be recorded, and a current to the memory element A memory having detection means for detecting a magnetization direction of the memory element by flowing the memory element. 請求項9に記載の記録回路が導線に電流を流し発生する磁界をメモリ素子に印加することによりメモリ素子の磁化方向を所望の方向に向け記録を行う機構であることを特徴とするメモリ。   10. A memory, wherein the recording circuit according to claim 9 is a mechanism for recording in a desired direction of a magnetization direction of a memory element by applying a magnetic field generated by passing a current through a conducting wire to the memory element. 請求項9に記載の記録回路が電流をスピン偏極させる部位を有し、スピン偏極した電流を該メモリ素子に流すことによって、該メモリ素子の磁化方向を所望の方向に向け記録を行うことを特徴とするメモリ。   The recording circuit according to claim 9 has a portion that spin-polarizes a current, and records the magnetization direction of the memory element in a desired direction by flowing the spin-polarized current through the memory element. Memory. 電流をスピン偏極させる部位が非磁性膜と磁性膜の多層膜からなることを特徴とする請求項11に記載のメモリ。   The memory according to claim 11, wherein the portion for spin-polarizing the current comprises a multilayer film of a nonmagnetic film and a magnetic film. 電流をスピン偏極させる機構が半導体と該半導体に電場を印加する機構からなる請求項11に記載のメモリ。


The memory according to claim 11, wherein the mechanism for spin-polarizing the current includes a semiconductor and a mechanism for applying an electric field to the semiconductor.


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