JP2006108316A - Memory element and memory - Google Patents

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博司 鹿野
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政功 細見
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a memory element capable of reducing a current value required for writing by improving spin injection efficiency. <P>SOLUTION: Magnetization fixed layers 31 and 33 are provided above and below a memory layer 32 which holds information according to magnetizing state of a magnetic body, with intermediate layers 14 and 18 in-between. Directions of magnetization M13 and M19 of ferromagnetic layers 13 and 19 of the magnetization fixed layers 31 and 33 which are the closest to the memory layer 32 are almost parallel to each other. The memory layer 32 consists of a plurality of ferromagnetic layers 15 and 17 that are laminated through non-magnetic conductor layer 16. The magnetization M17 of the ferromagnetic layer 17 which is the top layer in the memory layer 32 is not parallel to the magnetization M15 of the lowest ferromagnetic layer 15. In the memory layer 3, a current is made to flow in laminating direction to change directions of magnetization M15 and M17 of the memory layer 32, and information is recorded in the memory layer 32. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、強磁性層の磁化状態を情報として記憶する記憶層と、磁化の向きが固定された磁化固定層とから成り、電流を流すことにより記憶層の磁化の向きを変化させる記憶素子及びこの記憶素子を備えたメモリに係わり、不揮発メモリに適用して好適なものである。   The present invention includes a storage layer that stores the magnetization state of a ferromagnetic layer as information, and a magnetization fixed layer whose magnetization direction is fixed, and a storage element that changes the magnetization direction of the storage layer by passing an electric current. The present invention relates to a memory provided with this memory element, and is suitable for application to a nonvolatile memory.

コンピュータ等の情報機器では、ランダム・アクセス・メモリとして、動作が高速で、高密度なDRAMが広く使われている。
しかし、DRAMは電源を切ると情報が消えてしまう揮発性メモリであるため、情報が消えない不揮発のメモリが望まれている。
In information devices such as computers, DRAMs with high speed and high density are widely used as random access memories.
However, since DRAM is a volatile memory in which information disappears when the power is turned off, a nonvolatile memory in which information does not disappear is desired.

そして、不揮発メモリの候補として、磁性体の磁化で情報を記録する磁気ランダム・アクセス・メモリ(MRAM)が注目され、開発が進められている(例えば非特許文献1参照)。   As a candidate for a non-volatile memory, a magnetic random access memory (MRAM) that records information by magnetization of a magnetic material has attracted attention and is being developed (for example, see Non-Patent Document 1).

MRAMは、ほぼ直交する2種類のアドレス配線(ワード線、ビット線)にそれぞれ電流を流して、各アドレス配線から発生する電流磁場によって、アドレス配線の交点にある磁気記憶素子の磁性層の磁化を反転して情報の記録を行うものである。   In the MRAM, current is supplied to two types of address lines (word lines and bit lines) that are substantially orthogonal to each other, and the magnetization of the magnetic layer of the magnetic memory element at the intersection of the address lines is caused by a current magnetic field generated from each address line. Inverted information is recorded.

一般的なMRAMの模式図(斜視図)を、図6に示す。
シリコン基板等の半導体基体110の素子分離層102により分離された部分に、各メモリセルを選択するための選択用トランジスタを構成する、ドレイン領域108、ソース領域107、並びにゲート電極101が、それぞれ形成されている。
また、ゲート電極101の上方には、図中前後方向に延びるワード線105が設けられている。
ドレイン領域108は、図中左右の選択用トランジスタに共通して形成されており、このドレイン領域108には、配線109が接続されている。
そして、ワード線105と、上方に配置された、図中左右方向に延びるビット線106との間に、磁化の向きが反転する記憶層を有する磁気記憶素子103が配置されている。この磁気記憶素子103は、例えば磁気トンネル接合素子(MTJ素子)により構成される。
さらに、磁気記憶素子103は、水平方向のバイパス線111及び上下方向のコンタクト層104を介して、ソース領域107に電気的に接続されている。
ワード線105及びビット線106にそれぞれ電流を流すことにより、電流磁界を磁気記憶素子103に印加して、これにより磁気記憶素子103の記憶層の磁化の向きを反転させて、情報の記録を行うことができる。
A schematic view (perspective view) of a general MRAM is shown in FIG.
A drain region 108, a source region 107, and a gate electrode 101 constituting a selection transistor for selecting each memory cell are formed in a portion separated by the element isolation layer 102 of the semiconductor substrate 110 such as a silicon substrate. Has been.
A word line 105 extending in the front-rear direction in the figure is provided above the gate electrode 101.
The drain region 108 is formed in common to the left and right selection transistors in the drawing, and a wiring 109 is connected to the drain region 108.
A magnetic storage element 103 having a storage layer whose magnetization direction is reversed is disposed between the word line 105 and the bit line 106 disposed above and extending in the horizontal direction in the drawing. The magnetic memory element 103 is composed of, for example, a magnetic tunnel junction element (MTJ element).
Further, the magnetic memory element 103 is electrically connected to the source region 107 via the horizontal bypass line 111 and the vertical contact layer 104.
By applying current to each of the word line 105 and the bit line 106, a current magnetic field is applied to the magnetic memory element 103, thereby reversing the magnetization direction of the memory layer of the magnetic memory element 103 and recording information. be able to.

そして、MRAM等の磁気メモリにおいて、記録した情報を安定に保持するためには、情報を記録する磁性層(記憶層)が、一定の保磁力を有していることが必要である。
一方、記録された情報を書き換えるためには、アドレス配線にある程度の電流を流さなければならない。
ところが、MRAMを構成する素子の微細化に従い、アドレス配線も細くなるため、充分な電流が流せなくなってくる。
In order to stably hold recorded information in a magnetic memory such as MRAM, it is necessary that a magnetic layer (storage layer) for recording information has a certain coercive force.
On the other hand, in order to rewrite the recorded information, a certain amount of current must be passed through the address wiring.
However, as the elements constituting the MRAM become finer, the address wiring becomes thinner, so that a sufficient current cannot flow.

そこで、より少ない電流で磁化反転が可能な構成として、スピン注入による磁化反転を利用する構成の磁気メモリが注目されている(例えば、特許文献1参照)。
スピン注入による磁化反転とは、磁性体の中を通過してスピン偏極した電子を、他の磁性体に注入することにより、他の磁性体において磁化反転を起こさせるものである。
Therefore, attention has been paid to a magnetic memory having a configuration using magnetization reversal by spin injection as a configuration capable of reversing magnetization with a smaller current (see, for example, Patent Document 1).
Magnetization reversal by spin injection is to cause magnetization reversal in another magnetic material by injecting spin-polarized electrons that have passed through the magnetic material into another magnetic material.

例えば、巨大磁気抵抗効果素子(GMR素子)や磁気トンネル接合素子(MTJ素子)に対して、その膜面に垂直な方向に電流を流すことにより、これらの素子の少なくとも一部の磁性層の磁化の向きを反転させることができる。   For example, when a current is passed through a giant magnetoresistive element (GMR element) or a magnetic tunnel junction element (MTJ element) in a direction perpendicular to the film surface, magnetization of at least a part of the magnetic layer of these elements is performed. Can be reversed.

そして、スピン注入による磁化反転は、素子が微細化されても、少ない電流で磁化反転を実現することができる利点を有している。   Magnetization reversal by spin injection has an advantage that magnetization reversal can be realized with a small current even if the element is miniaturized.

また、上述したスピン注入による磁化反転を利用する構成の磁気メモリの模式図を図4及び図5に示す。図4は斜視図、図5は断面図である。
シリコン基板等の半導体基体60の素子分離層52により分離された部分に、各メモリセルを選択するための選択用トランジスタを構成する、ドレイン領域58、ソース領域57、並びにゲート電極51が、それぞれ形成されている。このうち、ゲート電極51は、図中前後方向に延びるワード線を兼ねている。
ドレイン領域58は、図4中左右の選択用トランジスタに共通して形成されており、このドレイン領域58には、配線59が接続されている。
そして、ソース領域57と、上方に配置された、図4中左右方向に延びるビット線56との間に、スピン注入により磁化の向きが反転する記憶層を有する記憶素子53が配置されている。
この記憶素子53は、例えば磁気トンネル接合素子(MTJ素子)により構成される。
図中61及び62は磁性層を示しており、2層の磁性層61,62のうち、一方の磁性層を磁化の向きが固定された磁化固定層として、他方の磁性層を磁化の向きが変化する磁化自由層即ち記憶層とする。
また、記憶素子53は、ビット線56と、ソース領域57とに、それぞれ上下のコンタクト層54を介して接続されている。これにより、磁気記憶素子53に電流を流して、スピン注入により記憶層の磁化の向きを反転させることができる。
Moreover, the schematic diagram of the magnetic memory of the structure using the magnetization reversal by the spin injection mentioned above is shown in FIG.4 and FIG.5. 4 is a perspective view, and FIG. 5 is a cross-sectional view.
A drain region 58, a source region 57, and a gate electrode 51 constituting a selection transistor for selecting each memory cell are formed in a portion separated by the element isolation layer 52 of the semiconductor substrate 60 such as a silicon substrate. Has been. Among these, the gate electrode 51 also serves as a word line extending in the front-rear direction in the figure.
The drain region 58 is formed in common with the left and right selection transistors in FIG. 4, and a wiring 59 is connected to the drain region 58.
A storage element 53 having a storage layer whose magnetization direction is reversed by spin injection is disposed between the source region 57 and the bit line 56 disposed above and extending in the left-right direction in FIG.
The storage element 53 is configured by, for example, a magnetic tunnel junction element (MTJ element).
In the figure, reference numerals 61 and 62 denote magnetic layers. Of the two magnetic layers 61 and 62, one magnetic layer is a magnetization fixed layer whose magnetization direction is fixed, and the other magnetic layer is a magnetization direction. A changing magnetization free layer, that is, a storage layer is used.
The storage element 53 is connected to the bit line 56 and the source region 57 via the upper and lower contact layers 54, respectively. As a result, a current can be passed through the magnetic memory element 53 to reverse the magnetization direction of the memory layer by spin injection.

このようなスピン注入による磁化反転を利用する構成のメモリの場合、図6に示した一般的なMRAMと比較して、デバイス構造を単純化することができる、という特徴も有している。
また、スピン注入による磁化反転を利用することにより、外部磁界により磁化反転を行う一般的なMRAMと比較して、素子の微細化が進んでも、書き込みの電流が増大しないという利点がある。
Such a memory using a magnetization reversal by spin injection has a feature that the device structure can be simplified as compared with the general MRAM shown in FIG.
Further, by utilizing magnetization reversal by spin injection, there is an advantage that the write current does not increase even when the element is miniaturized as compared with a general MRAM in which magnetization reversal is performed by an external magnetic field.

このスピン注入による磁化反転を利用する構成のメモリにおいて、消費電力をさらに抑制するためには、スピン注入効率を改善して、入力する電流を減らす必要がある。   In a memory configured to use magnetization reversal by spin injection, in order to further suppress power consumption, it is necessary to improve spin injection efficiency and reduce input current.

また、読み出し信号を大きくするためには、大きな磁気抵抗変化率を確保する必要があり、そのためには記憶層の両側に接している中間層をトンネルバリア層にすることが効果的である。
この場合、バリア層の耐電圧の制限が生じるため、この点からも、スピン注入時の電流を抑制する必要がある。
In order to increase the read signal, it is necessary to secure a large magnetoresistance change rate. For this purpose, it is effective to use the intermediate layer in contact with both sides of the storage layer as a tunnel barrier layer.
In this case, since the withstand voltage of the barrier layer is limited, the current at the time of spin injection needs to be suppressed also from this point.

そこで、スピン注入時の電流を抑制するための解決策として、記憶素子を磁化固定層/中間層/記憶層/中間層/磁化固定層の積層構造として、記憶層の上下に設けた磁化固定層の磁化の向きを反対向きにした構成が提案されている(特許文献2及び特許文献3参照)。
そして、上記特許文献2において、上下の磁化固定層の磁化の向きを互いに反対向きにすることにより、スピン注入効率を倍増させることが可能であることが示されている。
Therefore, as a solution to suppress the current at the time of spin injection, the storage element is a stacked structure of a fixed magnetization layer / intermediate layer / storage layer / intermediate layer / magnetization fixed layer, and a fixed magnetization layer provided above and below the storage layer. There has been proposed a configuration in which the magnetization direction of each is opposite (see Patent Document 2 and Patent Document 3).
In Patent Document 2, it is shown that the spin injection efficiency can be doubled by making the magnetization directions of the upper and lower magnetization fixed layers opposite to each other.

日経エレクトロニクス 2001.2.12号(第164頁−171頁)Nikkei Electronics 2001.1.22 (pages 164-171) 特開2003−17782号公報JP 2003-17782 A 米国特許公開第2004/0027853号明細書US Patent Publication No. 2004/0027853 特開2004−193595号公報JP 2004-193595 A

しかしながら、上記特許文献2や上記特許文献3において提案されている構成では、記憶層の上下に設けた磁化固定層の磁化の向きを反対向きにするために、それぞれの磁化固定層の材料や膜構成を、通常のMTJ素子に採用されているものとは違うものとする必要がある。
このため、膜構成が複雑になったり、製造工程が複雑になったりする、という欠点がある。例えば、上下の磁化固定層の磁化の向きを反対向きとするためには、複数回の異なる条件での磁場中アニールが必要になり、製造工程が複雑になる。
However, in the configurations proposed in Patent Document 2 and Patent Document 3, in order to reverse the magnetization directions of the magnetization fixed layers provided above and below the storage layer, the materials and films of the respective magnetization fixed layers are used. It is necessary to make the configuration different from that adopted in a normal MTJ element.
For this reason, there exists a fault that a film | membrane structure becomes complicated or a manufacturing process becomes complicated. For example, in order to reverse the magnetization directions of the upper and lower magnetization fixed layers, annealing in a magnetic field under a plurality of different conditions is required, and the manufacturing process becomes complicated.

電流による磁化回転トルクの方向は、記憶層の電流が流れ出す面の磁化の向きとそれに対向する磁化固定層表面の磁化の向きとの相対角、及び記憶層から見た電流の向きで決まる。
スピン注入効率を向上させるためには、記憶層の下部の磁化固定層から受ける磁化回転トルクの向きと、記憶層の上部の磁化固定層から受ける磁化回転トルクの向きとを一致させなければならない。
一例を挙げて説明する。書き込み電流を下部の磁化固定層から上部の磁化固定層に向けて流した場合、記憶層から見た電流の向きが、上部からは流れ込み、下部へは流れ出しというように、記憶層から見た電流の向きが反転する。記憶層の上下の面の磁化が同じ向きであり、上下の磁化固定層の記憶層に対向する面の磁化が同じ向きである場合、上述したように記憶層上下界面での記憶層から見た電流の向きは反対向きになるため、磁化回転トルクは打ち消し合ってしまう。
これらの理由のため、電流による磁化回転トルクの方向を合わせるためには、上述のように、記憶層の上下に設けた磁化固定層の磁化の向きを反平行にしたときに、記憶層を複数層の磁性層によって構成して、記憶層を構成する磁性層の最上層の磁化の向きと最下層の磁化の向きとを、平行にする必要がある。
即ち、記憶層として、磁化の向きが平行になるように結合した2層の磁性層、もしくは3層以上の奇数層の磁性層を必要とする。
The direction of the magnetization rotation torque due to the current is determined by the relative angle between the direction of magnetization of the surface from which the current of the storage layer flows and the direction of magnetization of the surface of the fixed magnetization layer facing it, and the direction of the current viewed from the storage layer.
In order to improve the spin injection efficiency, it is necessary to match the direction of the magnetization rotation torque received from the magnetization fixed layer below the storage layer with the direction of the magnetization rotation torque received from the magnetization fixed layer above the storage layer.
An example will be described. When a write current is passed from the lower pinned layer to the upper pinned layer, the direction of the current seen from the storage layer flows from the upper part and flows out from the lower part. The direction of is reversed. When the magnetizations of the upper and lower surfaces of the storage layer are in the same direction and the magnetizations of the surfaces facing the storage layer of the upper and lower magnetization fixed layers are in the same direction, as seen from the storage layer at the upper and lower interfaces of the storage layer as described above Since the direction of the current is opposite, the magnetization rotation torque cancels out.
For these reasons, in order to align the direction of the magnetization rotation torque by the current, as described above, when the magnetization directions of the magnetization fixed layers provided above and below the storage layer are antiparallel, a plurality of storage layers are provided. It is necessary to make the direction of magnetization of the uppermost layer of the magnetic layer constituting the storage layer and the direction of magnetization of the lowermost layer parallel to each other.
That is, the storage layer requires two magnetic layers coupled so that the magnetization directions are parallel to each other, or an odd number of three or more magnetic layers.

2層の磁性層を磁化の向きが平行になるように結合させるためには、2層の磁性層の間に挟まれた中間層の厚さを、最低でも数nm以下、一般的には0.5nm以下に抑える必要がある。このように中間層の厚さを薄くすると、記憶層の作製が困難になると共に、スピン偏極電流が保持されてしまうことにより中間層の上下の磁性層が干渉を起こして、書き込み電流の増大を生じてしまう。
一方、記憶層を3層以上の磁性層によって構成すると、記憶層全体の合計膜厚が大きくなり、書き込み電流が記憶層の体積に比例するため、書き込み電流が増大してしまうという問題がある。
In order to couple the two magnetic layers so that the magnetization directions are parallel to each other, the thickness of the intermediate layer sandwiched between the two magnetic layers is at least several nm or less, generally 0 It is necessary to suppress it to 5 nm or less. If the thickness of the intermediate layer is reduced in this way, it becomes difficult to produce the memory layer, and the spin-polarized current is retained, causing interference between the magnetic layers above and below the intermediate layer, thereby increasing the write current. Will occur.
On the other hand, when the storage layer is composed of three or more magnetic layers, the total film thickness of the entire storage layer is increased, and the write current is proportional to the volume of the storage layer, which increases the write current.

ところで、スピン注入現象において、磁化反転を生じさせる閾値電流を与える理論式は、下記の式1のようになることが理論的に導かれており、この式を利用すると、ダンピング定数の増加が閾値電流の増加を招くことが、理論的に計算される(J. Z. Sun,Phys. Rev. B,Vol.62,p.570,2000年参照)。

Figure 2006108316
(ただし、α:記憶層のダンピング定数、H:記憶層の一軸異方性磁界、M:記憶層の飽和磁化、η:スピン注入係数) By the way, it has been theoretically derived that a theoretical formula for giving a threshold current for causing magnetization reversal in the spin injection phenomenon is as shown in the following formula 1. When this formula is used, an increase in the damping constant is a threshold value. The increase in current is calculated theoretically (see JZ Sun, Phys. Rev. B, Vol. 62, p. 570, 2000).
Figure 2006108316
(Where α is the damping constant of the storage layer, H k is the uniaxial anisotropic magnetic field of the storage layer, M s is the saturation magnetization of the storage layer, η is the spin injection coefficient)

そして、上記特許文献2等において提案されている構成を実現しようとした場合には、記憶層のダンピング定数に対して、記憶層に接している中間層及び磁化固定層がスピンポンピングとよばれている現象により影響を与えることになり、中間層や磁化固定層を構成する材料によって、記憶層のダンピング定数が増加することが報告されている(例えば、Yaroslav他,Phys. Rev. B,Vol.66,p.224403,2002年等参照)。
このため、上記特許文献2等において提案されている構成を単純に作製しても、スピン注入効率を向上させることにならず、膜構成によっては、記憶層のダンピング定数を増加させてしまうことにより、逆にスピン注入効率を低下させてしまうことになる。
And when it is going to implement | achieve the structure proposed in the said patent document 2, etc., the intermediate | middle layer and magnetization fixed layer which are in contact with the memory | storage layer are called spin pumping with respect to the damping constant of a memory | storage layer. It is reported that the damping constant of the memory layer increases depending on the material constituting the intermediate layer and the magnetization fixed layer (for example, Yaroslav et al., Phys. Rev. B, Vol. 66, p.224403, 2002, etc.).
For this reason, even if the configuration proposed in Patent Document 2 or the like is simply manufactured, the spin injection efficiency is not improved, and depending on the film configuration, the damping constant of the memory layer is increased. On the contrary, the spin injection efficiency is lowered.

上述した問題の解決のために、本発明においては、スピン注入効率を向上することにより、書き込みに要する電流値を低減することができる記憶素子、並びにこの記憶素子を有するメモリを提供するものである。   In order to solve the above-described problems, the present invention provides a memory element that can reduce a current value required for writing by improving spin injection efficiency, and a memory including the memory element. .

本発明の記憶素子は、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有し、この記憶層の上下に、それぞれ中間層を介して磁化固定層が設けられ、記憶層の上下の磁化固定層において、それぞれ記憶層に最も近い強磁性層の磁化の向きが略平行であり、記憶層が非磁性導体層を介して積層された複数層の強磁性層から成り、記憶層の最も上層の強磁性層と最も下層の強磁性層とが、磁化の向きが互いに反平行であり、積層方向に電流を流すことにより、記憶層の磁化の向きが変化して、記憶層に対して情報の記録が行われるものである。   The memory element of the present invention has a memory layer that retains information by the magnetization state of a magnetic material, and a magnetization pinned layer is provided above and below the memory layer via intermediate layers, respectively, and the magnetization pinned above and below the memory layer is fixed. In each of the layers, the magnetization directions of the ferromagnetic layers closest to the storage layer are substantially parallel, and the storage layer is composed of a plurality of ferromagnetic layers stacked via a nonmagnetic conductor layer. The magnetization directions of the ferromagnetic layer and the lowermost ferromagnetic layer are antiparallel to each other, and by passing a current in the stacking direction, the magnetization direction of the storage layer changes, and information is transferred to the storage layer. Recording is performed.

上述の本発明の記憶素子の構成によれば、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有し、この記憶層の上下にそれぞれ中間層を介して磁化固定層が設けられており、積層方向に電流を流すことにより、記憶層の磁化の向きが変化して、記憶層に対して情報の記録が行われるので、積層方向に電流を流してスピン注入による情報の記録を行うことができる。
また、記憶層の上下の磁化固定層において、それぞれ記憶層に最も近い強磁性層の磁化の向きが略平行であり、かつ、記憶層が非磁性導体層を介して積層された複数層の強磁性層から成り、記憶層の最も上層の強磁性層と最も下層の強磁性層とが、磁化の向きが互いに反平行であることにより、記憶層の最も下層の強磁性層と下層の磁化固定層とにおけるスピン注入効果と、記憶層の最も上層の強磁性層と上層の磁化固定層とにおけるスピン注入効果とを加えて、スピン注入効率を大幅に増大させることが可能になる。
これにより、スピン注入により記憶層の磁化の向きを反転させるために必要な電流量(閾値電流)を低減することができる。
According to the configuration of the above-described storage element of the present invention, the storage layer that holds information by the magnetization state of the magnetic material has a storage layer, and a fixed magnetization layer is provided above and below the storage layer via an intermediate layer, By flowing current in the stacking direction, the direction of magnetization of the storage layer changes, and information is recorded on the storage layer. Therefore, it is possible to record information by spin injection by flowing current in the stacking direction. it can.
Further, in the fixed magnetization layers above and below the storage layer, the magnetization directions of the ferromagnetic layers closest to the storage layer are approximately parallel, and the multiple layers of the storage layers are stacked via the nonmagnetic conductor layers. It consists of a magnetic layer, and the magnetization direction of the uppermost ferromagnetic layer and the lowermost ferromagnetic layer of the storage layer is antiparallel to each other. By adding the spin injection effect in the layer and the spin injection effect in the uppermost ferromagnetic layer and the upper magnetization fixed layer of the storage layer, the spin injection efficiency can be greatly increased.
Thereby, the amount of current (threshold current) required to reverse the magnetization direction of the storage layer by spin injection can be reduced.

本発明のメモリは、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有する記憶素子と、互いに交差する2種類の配線とを備え、記憶素子は、記憶層の上下に、それぞれ中間層を介して磁化固定層が設けられ、記憶層の上下の磁化固定層において、それぞれ記憶層に最も近い強磁性層の磁化の向きが略平行であり、記憶層が非磁性導体層を介して積層された複数層の強磁性層から成り、記憶層の最も上層の強磁性層と最も下層の強磁性層とが、磁化の向きが互いに反平行であり、積層方向に電流を流すことにより、記憶層の磁化の向きが変化して、記憶層に対して情報の記録が行われる構成であり、2種類の配線の交点付近かつ2種類の配線の間に記憶素子が配置され、2種類の配線を通じて記憶素子に積層方向の電流が流れるものである。   The memory according to the present invention includes a storage element having a storage layer that holds information according to the magnetization state of a magnetic material, and two types of wirings that intersect each other, and the storage element is above and below the storage layer via an intermediate layer. Magnetization fixed layers are provided, and in the magnetization fixed layers above and below the storage layer, the magnetization directions of the ferromagnetic layers closest to the storage layer are substantially parallel, and the storage layers are stacked via the nonmagnetic conductor layers. Composed of a plurality of ferromagnetic layers, the uppermost ferromagnetic layer and the lowermost ferromagnetic layer of the storage layer are antiparallel to each other, and the current flows in the stacking direction by flowing current in the stacking direction. Information is recorded on the storage layer by changing the direction of magnetization. A storage element is arranged near the intersection of two types of wiring and between the two types of wiring, and is stored through the two types of wiring. A current in the stacking direction flows through the element.

上述の本発明のメモリの構成によれば、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有する記憶素子と、互いに交差する2種類の配線とを備え、記憶素子が上記本発明の記憶素子の構成であり、2種類の配線の交点付近かつ2種類の配線の間に記憶素子が配置され、これら2種類の配線を通じて記憶素子に積層方向の電流が流れるものであることにより、2種類の配線を通じて記憶素子の積層方向に電流を流してスピン注入による情報の記録を行うことができる。
また、スピン注入により記憶素子の記憶層の磁化の向きを反転させるために必要な電流量(閾値電流)を低減することができる。
According to the configuration of the memory of the present invention described above, a memory element having a memory layer that holds information according to the magnetization state of the magnetic material and two kinds of wirings intersecting each other are provided, and the memory element is the memory element of the present invention. The memory element is arranged near the intersection of two types of wiring and between the two types of wiring, and current in the stacking direction flows through the memory element through these two types of wiring. Information can be recorded by spin injection by passing a current in the stacking direction of the memory element through the wiring.
In addition, the amount of current (threshold current) required to reverse the magnetization direction of the storage layer of the storage element by spin injection can be reduced.

上述の本発明によれば、スピン注入効率を改善することにより、情報の記録に必要な電流量を低減することができる。
これにより、メモリ全体の消費電力を低減することが可能になる。
従って、従来にない低消費電力のメモリを実現することが可能になる。
According to the present invention described above, the amount of current required for recording information can be reduced by improving the spin injection efficiency.
As a result, the power consumption of the entire memory can be reduced.
Therefore, it is possible to realize a memory with low power consumption that has not been conventionally available.

まず、本発明の具体的な実施の形態の説明に先立ち、本発明の概要について説明する。
本発明は、前述したスピン注入により、記憶素子の記憶層の磁化の向きを反転させて、情報の記録を行うものである。記憶層は、強磁性層等の磁性体により構成され、情報を磁性体の磁化状態(磁化の向き)により保持するものである。
First, an outline of the present invention will be described prior to description of specific embodiments of the present invention.
In the present invention, information is recorded by reversing the magnetization direction of the storage layer of the storage element by the spin injection described above. The storage layer is composed of a magnetic material such as a ferromagnetic layer, and holds information by the magnetization state (magnetization direction) of the magnetic material.

スピン注入により磁性層の磁化の向きを反転させる基本的な動作は、巨大磁気抵抗効果素子(GMR素子)もしくはトンネル磁気抵抗効果素子(MTJ素子)から成る記憶素子に対して、その膜面に垂直な方向に、ある閾値以上の電流を流すものである。このとき、電流の極性(向き)は、反転させる磁化の向きに依存する。
この閾値よりも絶対値が小さい電流を流した場合には、磁化反転を生じない。
The basic operation of reversing the magnetization direction of the magnetic layer by spin injection is perpendicular to the film surface of a memory element composed of a giant magnetoresistive element (GMR element) or a tunnel magnetoresistive element (MTJ element). In such a direction, a current exceeding a certain threshold is passed. At this time, the polarity (direction) of the current depends on the direction of magnetization to be reversed.
When a current having an absolute value smaller than this threshold is passed, magnetization reversal does not occur.

一方、電流磁場により磁化反転を行う通常のMRAMでは、書き込み電流が数mA以上必要となる。
これに対して、スピン注入により磁化反転を行う場合には、上述のように、書き込み電流の閾値が充分に小さくなるため、集積回路の消費電力を低減させるために有効であることがわかる。
また、通常のMRAMで必要とされる、電流磁界発生用の配線(図6の105)が不要となるため、集積度においても通常のMRAMに比較して有利である。
On the other hand, a normal MRAM that performs magnetization reversal by a current magnetic field requires a write current of several mA or more.
On the other hand, when the magnetization reversal is performed by spin injection, the threshold value of the write current becomes sufficiently small as described above, which is effective for reducing the power consumption of the integrated circuit.
In addition, the current magnetic field generating wiring (105 in FIG. 6) required for a normal MRAM is not necessary, and this is advantageous in terms of integration compared to a normal MRAM.

本発明においては、磁化状態により情報を保持することができる磁性層(記憶層)と、磁化の向きが固定された磁化固定層とを有する記憶素子を構成する。
そして、記憶層の上下にそれぞれ磁化固定層を設けて、上下に磁気抵抗素子を形成し、即ち磁化固定層/中間層/記憶層/中間層/磁化固定層の積層構造として、さらに上下の磁化固定層の磁化の向きを略平行とする。
さらに、記憶層を、非磁性導体層を介して積層された複数層の強磁性層から成る構成として、記憶層の複数層の強磁性層のうち、最も上層の強磁性層と最も下層の強磁性層とが、磁化の向きが互いに反平行である構成とする。
In the present invention, a storage element having a magnetic layer (storage layer) capable of retaining information according to a magnetization state and a magnetization fixed layer in which the magnetization direction is fixed is configured.
Magnetization fixed layers are provided on the upper and lower sides of the storage layer, and magnetoresistive elements are formed on the upper and lower sides. That is, a stacked structure of a magnetization fixed layer / intermediate layer / storage layer / intermediate layer / magnetization fixed layer is formed. The magnetization direction of the fixed layer is made substantially parallel.
Further, the storage layer is composed of a plurality of ferromagnetic layers stacked via a nonmagnetic conductor layer, and the uppermost ferromagnetic layer and the lowermost strong layer among the plurality of ferromagnetic layers of the storage layer. The magnetic layer has a configuration in which magnetization directions are antiparallel to each other.

例えば、記憶層を、非磁性導体層を介して積層された2層の強磁性層から成る構成としたときには、上層の強磁性層の磁化の向きと下層の強磁性層の磁化の向きとが、互いに反平行になるように設定する。   For example, when the storage layer is composed of two ferromagnetic layers stacked via a nonmagnetic conductor layer, the magnetization direction of the upper ferromagnetic layer and the magnetization direction of the lower ferromagnetic layer are different from each other. , Set to be anti-parallel to each other.

このように、非磁性導体層を介して積層された2層の強磁性層の磁化の向きが互いに反平行になるようにするには、非磁性導体層を介して2層の強磁性層が磁気的に結合するように構成すればよい。   In this way, in order to make the magnetization directions of the two ferromagnetic layers stacked via the nonmagnetic conductor layer antiparallel to each other, the two ferromagnetic layers are interposed via the nonmagnetic conductor layer. What is necessary is just to comprise so that it may couple | bond magnetically.

2層の強磁性層を磁気的に結合させる方法としては、それぞれの強磁性層の端部から発生する漏洩磁界が相対向する強磁性層に印加されることによる静磁結合を利用する方法や、非磁性層を介して反強磁性的に結合する層間交換結合等を利用する方法が考えられる。   As a method of magnetically coupling two ferromagnetic layers, a method using magnetostatic coupling by applying a leakage magnetic field generated from the end of each ferromagnetic layer to the opposing ferromagnetic layers, A method using interlayer exchange coupling that couples antiferromagnetically through a nonmagnetic layer can be considered.

そして、記憶層を構成する各強磁性層が磁気的に結合し、各強磁性層の磁化の向きがおおむね同時に反転するように、非磁性導体層の材料や膜厚を選定する。
このように構成することにより、非磁性導体層により記憶層の各強磁性層が物理的には分断されるが磁気的には結合するため、情報を記録する際に全ての強磁性層の磁化が一斉に反転する。
Then, the material and film thickness of the nonmagnetic conductor layer are selected so that the ferromagnetic layers constituting the storage layer are magnetically coupled and the magnetization directions of the ferromagnetic layers are reversed at the same time.
With this configuration, each ferromagnetic layer of the storage layer is physically separated by the nonmagnetic conductor layer, but is magnetically coupled, so that the magnetization of all the ferromagnetic layers is recorded when information is recorded. Are reversed all at once.

また、記憶層の強磁性層間に挟まれる非磁性導体層は、スピン偏極電流を一旦リセットする機能を持たせるために、スピン拡散を生じやすい材料により構成することが望ましく、また膜厚をスピン拡散長より大きくすることが望ましい。
非磁性導体層の具体的な材料としては、Mg,Al,Si,Ge,Ti,V,Cr,Zr,Nb,Mo,Hf,Ta,W,Cu,Ag,Au,Ru,Rhの中から選ばれた1元素もしくはこれらの合金を主成分とする材料が使用できる。
In addition, the nonmagnetic conductor layer sandwiched between the ferromagnetic layers of the storage layer is preferably made of a material that easily causes spin diffusion in order to have a function of temporarily resetting the spin-polarized current, and has a film thickness of spin. It is desirable to make it larger than the diffusion length.
Specific materials for the nonmagnetic conductor layer include Mg, Al, Si, Ge, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Cu, Ag, Au, Ru, and Rh. A material mainly composed of one selected element or an alloy thereof can be used.

なお、CuやAl等はスピン拡散長が100nm以上と長いため、膜厚をスピン拡散長よりも厚くすると、記憶層の各強磁性層間の磁気的結合が弱くなってしまう。また、記憶素子全体の厚さも大きくなる。
しかし、Cu,Au,Ag,Al等の材料でも、さらに、スピン拡散を生じやすくさせるTi,V,Cr,Zr,Nb,Mo,Hf,Ta,W,Re,Os,Ir,Mn,Gd等の元素を添加することにより、スピン拡散長が短くなって、非磁性導体層の膜厚を数nmと薄くすることが可能になる。
Since Cu, Al, and the like have a long spin diffusion length of 100 nm or more, if the film thickness is made larger than the spin diffusion length, the magnetic coupling between the ferromagnetic layers of the storage layer becomes weak. In addition, the thickness of the entire memory element is increased.
However, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Mn, Gd, etc. that can easily cause spin diffusion even with materials such as Cu, Au, Ag, Al, etc. By adding this element, the spin diffusion length is shortened, and the film thickness of the nonmagnetic conductor layer can be reduced to several nm.

さらに好ましくは、記憶層の強磁性層間に挟まれる非磁性導体層が、スピン拡散長が50nm以下の材料から成り、かつ膜厚がスピン拡散長と同じであるかスピン拡散長よりも大きい構成とする。   More preferably, the non-magnetic conductor layer sandwiched between the ferromagnetic layers of the storage layer is made of a material having a spin diffusion length of 50 nm or less and has a thickness equal to or larger than the spin diffusion length. To do.

ここで、例えば、下層側から記憶層に電流が入力された場合を考えると、上述した構成の非磁性導体層を採用することにより、導体層の上面で電流のスピン偏極状態がリセットされ、下半分の磁化固定層及び記憶層の組み合わせ(磁気抵抗効果素子)と、上半分の記憶層及び磁化固定層との組み合わせ(磁気抵抗効果素子)が直列に接続された形になる。
また、同様に、例えば、上層側から記憶層に電流が入力された場合を考えると、上述した構成の非磁性導体層を採用することにより、導体層の下面で電流のスピン偏極状態がリセットされ、上半分の磁化固定層及び記憶層の組み合わせと、下半分の記憶層及び磁化固定層との組み合わせが直列に接続された形になる。
Here, for example, when considering a case where a current is input from the lower layer side to the storage layer, by adopting the nonmagnetic conductor layer having the above-described configuration, the spin polarization state of the current is reset on the upper surface of the conductor layer, A combination of the lower half magnetization fixed layer and the storage layer (magnetoresistance effect element) and a combination of the upper half storage layer and the magnetization fixed layer (magnetoresistance effect element) are connected in series.
Similarly, for example, when a current is input to the storage layer from the upper layer side, the spin-polarized state of the current is reset on the lower surface of the conductor layer by adopting the nonmagnetic conductor layer having the above-described configuration. Thus, the combination of the upper half of the magnetization fixed layer and the storage layer and the combination of the lower half of the storage layer and the magnetization fixed layer are connected in series.

従って、電流の向きが上述のいずれの場合でも、下半分と上半分のそれぞれの磁気抵抗効果素子でスピン注入効果が発生し、しかもそのスピン注入効果が加算された形になるため、スピン注入効率が増大することになる。
これにより、書き込み電流を低減させることができる。
Therefore, in any case of the current direction described above, the spin injection effect is generated in the magnetoresistive effect elements in the lower half and the upper half, and the spin injection effect is added. Will increase.
Thereby, the write current can be reduced.

ところで、通常、磁化固定層を反強磁性層とそれに接した強磁性層とにより構成した場合には、磁化固定層の磁化を所望の向きとするために、磁場中でのアニールを行っている。
そして、前述した特許文献2や特許文献3において提案されている構成では、記憶層の上下に設けられた磁化固定層において、最も記憶層側の強磁性層の磁化の向きが互いに反平行であるため、少なくとも一方の磁化固定層を2層以上の強磁性層により構成する、或いは磁場中でのアニールを複数回の異なる条件で行う、等の工夫が必要になるため、膜構成や製造工程が複雑になっていた。
By the way, when the magnetization fixed layer is composed of an antiferromagnetic layer and a ferromagnetic layer in contact with the antiferromagnetic layer, annealing is performed in a magnetic field in order to set the magnetization of the magnetization fixed layer in a desired direction. .
In the configurations proposed in Patent Document 2 and Patent Document 3 described above, in the magnetization fixed layers provided above and below the storage layer, the magnetization directions of the ferromagnetic layers closest to the storage layer are antiparallel to each other. Therefore, it is necessary to devise such that at least one magnetization fixed layer is composed of two or more ferromagnetic layers, or annealing in a magnetic field is performed a plurality of times under different conditions. It was complicated.

これに対して、本発明のように、記憶層の上下の磁化固定層において、最も記憶層側の強磁性層の磁化の向きが略平行である場合には、上下の磁化固定層を、共に反強磁性層及び単層の強磁性層から成る、単純な構成とすることが可能になる。
そして、上下の磁化固定層の反強磁性層に同じ材料を使用して、記憶素子の各層を形成した後に磁場中アニールを一回行うことにより、上下の磁化固定層の磁化の向きを所定の向きにすることができる。
On the other hand, when the magnetization direction of the ferromagnetic layer closest to the storage layer is substantially parallel in the upper and lower magnetization fixed layers of the storage layer as in the present invention, the upper and lower magnetization fixed layers are both A simple configuration including an antiferromagnetic layer and a single ferromagnetic layer can be realized.
Then, the same material is used for the antiferromagnetic layers of the upper and lower fixed magnetization layers, and after each layer of the memory element is formed, annealing in a magnetic field is performed once, so that the magnetization directions of the upper and lower fixed magnetization layers are predetermined. Can be oriented.

また、記憶層の上下の磁化固定層の磁化の向きを略平行とすることにより、記憶層の最上層と最下層との磁化の向きを反平行にすれば、上下の磁気抵抗効果素子でスピン注入効果を加算して、スピン注入効率を向上することができる。
そして、記憶層を、2層の強磁性層が非磁性導体層を介して磁気的に結合した構成とすれば、記憶層の最上層と最下層との磁化の向きを、比較的容易に反平行にすることができる。
従って、記憶層の上下の磁化固定層の磁化の向きを略平行とすることにより、2層の強磁性層で記憶層を構成することが容易になる、という利点もある。
In addition, if the magnetization directions of the upper and lower layers of the storage layer are made anti-parallel by making the magnetization directions of the magnetization fixed layers above and below the storage layer substantially parallel, the upper and lower magnetoresistive effect elements spin. By adding the injection effect, the spin injection efficiency can be improved.
If the storage layer has a structure in which two ferromagnetic layers are magnetically coupled via a nonmagnetic conductor layer, the magnetization directions of the uppermost layer and the lowermost layer of the storage layer can be relatively easily reversed. Can be parallel.
Therefore, there is also an advantage that it is easy to configure the storage layer with two ferromagnetic layers by making the magnetization directions of the magnetization fixed layers above and below the storage layer substantially parallel.

また、特に、記憶層を、スピン偏極電流のリセットを行える充分な厚さの非磁性導体層を2層の強磁性層で挟む構成とすることにより、記憶層の合計厚さを最低限に抑えて、記憶層の体積増加による書き込み電流増大の影響を最低限に抑えることができる。
このとき、強磁性層間の交換相互作用や静磁結合を利用し、容易にこれらの強磁性層の磁化の向きを反平行とすることができるという効果がある。
In particular, the total thickness of the storage layer is minimized by providing the storage layer with a non-magnetic conductor layer of sufficient thickness that can reset the spin-polarized current between two ferromagnetic layers. Thus, the influence of an increase in write current due to an increase in the volume of the storage layer can be minimized.
At this time, there is an effect that the magnetization direction of these ferromagnetic layers can be easily made antiparallel using exchange interaction or magnetostatic coupling between the ferromagnetic layers.

なお、本発明では、記憶層を、3層以上の強磁性層が非磁性導体層を介して積層された構成とすることも可能である。
この場合、3層以上の強磁性層のうち、最下層の強磁性層と、最上層の強磁性層とが、磁化の向きが反平行になっていれば、上下の磁気抵抗効果素子におけるスピン注入効果を加算して、スピン注入効率を向上させることができる。即ち、中間の強磁性層の磁化の向きは任意であり、中間の強磁性層と非磁性導体層を挟んで対向する強磁性層とにおいて磁化の向きが略平行であってもよい。
In the present invention, the storage layer may have a configuration in which three or more ferromagnetic layers are laminated via a nonmagnetic conductor layer.
In this case, among the three or more ferromagnetic layers, if the magnetization direction of the lowermost ferromagnetic layer and the uppermost ferromagnetic layer are antiparallel, spins in the upper and lower magnetoresistive effect elements By adding the injection effect, the spin injection efficiency can be improved. That is, the magnetization direction of the intermediate ferromagnetic layer is arbitrary, and the magnetization directions of the intermediate ferromagnetic layer and the ferromagnetic layer facing each other with the nonmagnetic conductor layer interposed therebetween may be substantially parallel.

記憶素子のその他の構成は、スピン注入により情報を記録する記憶素子の従来公知の構成と同様とすることができる。
記憶層の上下の磁化固定層は、強磁性層のみにより、或いは反強磁性層と強磁性層の反強磁性結合を利用することにより、その磁化の向きが固定された構成とする。
また、記憶層の上下の磁化固定層は、単層の強磁性層から成る構造、或いは複数層の強磁性層を非磁性層を介して積層した積層フェリ構造とする。
磁化固定層を積層フェリ構造としたときには、磁化固定層の外部磁界に対する感度を低下させることができるため、外部磁界による磁化固定層の不要な磁化変動を抑制して、記憶素子を安定して動作させることができる。
The other configuration of the storage element can be the same as a conventionally known configuration of the storage element that records information by spin injection.
The magnetization fixed layers above and below the storage layer have a configuration in which the magnetization direction is fixed only by the ferromagnetic layer or by using the antiferromagnetic coupling between the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer.
In addition, the magnetization fixed layers above and below the storage layer have a structure composed of a single ferromagnetic layer or a laminated ferrimagnetic structure in which a plurality of ferromagnetic layers are stacked via a nonmagnetic layer.
When the magnetization pinned layer has a laminated ferrimagnetic structure, the sensitivity of the magnetization pinned layer to the external magnetic field can be reduced. Therefore, unnecessary magnetization fluctuations in the magnetization pinned layer due to the external magnetic field are suppressed, and the memory element operates stably. Can be made.

なお、記憶素子の記憶層に記録された情報を読み出す方法としては、記憶素子の記憶層に薄い絶縁膜を介して、情報の基準となる磁性層を設けて、絶縁層を介して流れる強磁性トンネル電流によって、記録された情報を読み出してもよいし、磁気抵抗効果により読み出してもよい。   As a method for reading information recorded in the memory layer of the memory element, a ferromagnetic layer that flows through the insulating layer is provided by providing a magnetic layer serving as a reference of information via a thin insulating film in the memory layer of the memory element. The recorded information may be read by a tunnel current, or may be read by a magnetoresistive effect.

続いて、本発明の実施の形態を説明する。
本発明の一実施の形態として、メモリの概略構成図(斜視図)を図1に示す。
このメモリは、互いに直交する2種類のアドレス配線(例えばワード線とビット線)の交点付近に、磁化状態で情報を保持することができる記憶素子が配置されて成る。
即ち、シリコン基板等の半導体基体10の素子分離層2により分離された部分に、各メモリセルを選択するための選択用トランジスタを構成する、ドレイン領域8、ソース領域7、並びにゲート電極1が、それぞれ形成されている。このうち、ゲート電極1は、図中前後方向に延びる一方のアドレス配線(例えばワード線)を兼ねている。
ドレイン領域8は、図中左右の選択用トランジスタに共通して形成されており、このドレイン領域8には、配線9が接続されている。
Next, embodiments of the present invention will be described.
As an embodiment of the present invention, a schematic configuration diagram (perspective view) of a memory is shown in FIG.
In this memory, a storage element capable of holding information in a magnetized state is arranged near the intersection of two types of address lines (for example, a word line and a bit line) orthogonal to each other.
That is, the drain region 8, the source region 7, and the gate electrode 1 that constitute a selection transistor for selecting each memory cell in a portion separated by the element isolation layer 2 of the semiconductor substrate 10 such as a silicon substrate, Each is formed. Of these, the gate electrode 1 also serves as one address wiring (for example, a word line) extending in the front-rear direction in the figure.
The drain region 8 is formed in common to the left and right selection transistors in the figure, and a wiring 9 is connected to the drain region 8.

そして、ソース領域7と、上方に配置された、図中左右方向に延びる他方のアドレス配線(例えばビット線)6との間に、記憶素子3が配置されている。この記憶素子3は、スピン注入により磁化の向きが反転する強磁性層から成る記憶層を有する。
また、この記憶素子3は、2種類のアドレス配線1,6の交点付近に配置されている。
この記憶素子3は、ビット線6と、ソース領域7とに、それぞれ上下のコンタクト層4を介して接続されている。
これにより、2種類のアドレス配線1,6を通じて、記憶素子3に上下方向の電流を流して、スピン注入により記憶層の磁化の向きを反転させることができる。
The storage element 3 is disposed between the source region 7 and the other address wiring (for example, bit line) 6 disposed above and extending in the left-right direction in the drawing. The storage element 3 has a storage layer composed of a ferromagnetic layer whose magnetization direction is reversed by spin injection.
The storage element 3 is arranged near the intersection of the two types of address lines 1 and 6.
The storage element 3 is connected to the bit line 6 and the source region 7 through upper and lower contact layers 4, respectively.
As a result, a current in the vertical direction can be passed through the storage element 3 through the two types of address lines 1 and 6, and the magnetization direction of the storage layer can be reversed by spin injection.

また、本実施の形態のメモリの記憶素子3の断面図を図2に示す。
図2に示すように、この記憶素子3は、スピン注入により磁化の向きが反転する記憶層32に対して、下層に第1の磁化固定層31を設け、上層に第2の磁化固定層33を設けている。即ち、記憶層32に対して、上下2つの磁化固定層31,33を設けた構成である。
第1の磁化固定層31に反強磁性層12が設けられ、この反強磁性層12により、第1の磁化固定層31の強磁性層13の磁化M13の向きが固定される。また、第2の磁化固定層33に反強磁性層20が設けられ、この反強磁性層20により、第2の磁化固定層32の強磁性層19の磁化M19の向きが固定される。
記憶層32と下層の第1の磁化固定層31との間には、トンネルバリア層(トンネル絶縁層)となる絶縁層14が設けられ、記憶層32と第1の磁化固定層31とにより、MTJ素子が構成されている。
記憶層32と上層の第2の磁化固定層33との間には、導電性の非磁性スペーサ層18が設けられ、記憶層32と第2の磁化固定層33とにより、GMR素子が構成されている。
A cross-sectional view of the memory element 3 of the memory according to the present embodiment is shown in FIG.
As shown in FIG. 2, the storage element 3 is provided with a first magnetization fixed layer 31 in the lower layer and a second magnetization fixed layer 33 in the upper layer with respect to the storage layer 32 whose magnetization direction is reversed by spin injection. Is provided. That is, the upper and lower two magnetization fixed layers 31 and 33 are provided for the storage layer 32.
The antiferromagnetic layer 12 is provided in the first magnetization fixed layer 31, and the direction of the magnetization M <b> 13 of the ferromagnetic layer 13 of the first magnetization fixed layer 31 is fixed by the antiferromagnetic layer 12. The antiferromagnetic layer 20 is provided in the second magnetization fixed layer 33, and the direction of the magnetization M 19 of the ferromagnetic layer 19 of the second magnetization fixed layer 32 is fixed by the antiferromagnetic layer 20.
Between the storage layer 32 and the lower first magnetization fixed layer 31, the insulating layer 14 serving as a tunnel barrier layer (tunnel insulation layer) is provided. By the storage layer 32 and the first magnetization fixed layer 31, An MTJ element is configured.
A conductive nonmagnetic spacer layer 18 is provided between the storage layer 32 and the upper second magnetization fixed layer 33, and the storage layer 32 and the second magnetization fixed layer 33 constitute a GMR element. ing.

また、反強磁性層12の下には下地層11が形成され、反強磁性層20の上にはキャップ層21が形成されている。   An underlayer 11 is formed under the antiferromagnetic layer 12, and a cap layer 21 is formed over the antiferromagnetic layer 20.

磁化固定層31,33の強磁性層13,19の材料としては、特に限定はないが、鉄、ニッケル、コバルトの1種もしくは2種以上からなる合金材料を用いることができる。さらにNb,Zr等の遷移金属元素やB,C等の軽元素を含有させることもできる。
反強磁性層12,20の材料としては、鉄、ニッケル、白金、イリジウム、ロジウム等の金属元素とマンガンとの合金、コバルト酸化物やニッケル酸化物等が使用できる。
The material of the ferromagnetic layers 13 and 19 of the magnetization fixed layers 31 and 33 is not particularly limited, but an alloy material composed of one or more of iron, nickel, and cobalt can be used. Furthermore, transition metal elements such as Nb and Zr, and light elements such as B and C can also be included.
As a material of the antiferromagnetic layers 12 and 20, an alloy of a metal element such as iron, nickel, platinum, iridium, and rhodium and manganese, cobalt oxide, nickel oxide, or the like can be used.

磁化固定層31,33の強磁性層15,17の飽和磁化Msの値は、一般に、200emu/cc以上2000emu/cc以下の範囲が適当である。   In general, the value of the saturation magnetization Ms of the ferromagnetic layers 15 and 17 of the magnetization fixed layers 31 and 33 is appropriately in the range of 200 emu / cc to 2000 emu / cc.

本実施の形態においては、特に、記憶素子3の記憶層32が、2層の強磁性層15,17の間に非磁性層16を挟んで積層され、2層の強磁性層15,17が磁気的に結合した構成である。
そして、記憶層32の各強磁性層15,17が磁気的に結合しているため、強磁性層15の磁化M15と強磁性層17の磁化M17とが、互いに反対向きになる。
In the present embodiment, in particular, the storage layer 32 of the storage element 3 is stacked with the nonmagnetic layer 16 sandwiched between the two ferromagnetic layers 15 and 17, and the two ferromagnetic layers 15 and 17 are formed. It is a magnetically coupled configuration.
Since the ferromagnetic layers 15 and 17 of the storage layer 32 are magnetically coupled, the magnetization M15 of the ferromagnetic layer 15 and the magnetization M17 of the ferromagnetic layer 17 are opposite to each other.

記憶層32の2層の強磁性層15,17を磁気的に結合させるには、例えば、2層の強磁性層15,17が非磁性層16を介して反強磁性結合した構成、或いは、2層の強磁性層15,17が非磁性層16を介して交換相互作用により磁気的に結合した構成とすればよい。   In order to magnetically couple the two ferromagnetic layers 15 and 17 of the storage layer 32, for example, a configuration in which the two ferromagnetic layers 15 and 17 are antiferromagnetically coupled via the nonmagnetic layer 16, or The two ferromagnetic layers 15 and 17 may be configured to be magnetically coupled by exchange interaction via the nonmagnetic layer 16.

さらに、本実施の形態においては、第1の磁化固定層31の強磁性層13の磁化M13が右向きであり、第2の磁化固定層32の強磁性層19の磁化M19が右向きであり、これらが略平行の向きになっている。   Furthermore, in the present embodiment, the magnetization M13 of the ferromagnetic layer 13 of the first magnetization fixed layer 31 is rightward, and the magnetization M19 of the ferromagnetic layer 19 of the second magnetization fixed layer 32 is rightward. Are in a substantially parallel orientation.

上述のように、記憶層32の強磁性層15の磁化M15と強磁性層17の磁化M17とが互いに反対向きであり、かつ、記憶層32を挟む磁化固定層31,33において、それぞれ記憶層32に臨む強磁性層13,19の磁化M13,M19が略平行の向きになっていることにより、前述したようにスピン注入効率を増大させることができる。
これにより、スピン注入によって記憶層32の磁化M15,M17の向きを反転させるために必要な電流量を低減することができる。
As described above, the magnetization M15 of the ferromagnetic layer 15 of the storage layer 32 and the magnetization M17 of the ferromagnetic layer 17 are opposite to each other, and in the magnetization fixed layers 31 and 33 sandwiching the storage layer 32, the storage layer Since the magnetizations M13 and M19 of the ferromagnetic layers 13 and 19 facing 32 are in a substantially parallel direction, the spin injection efficiency can be increased as described above.
As a result, the amount of current necessary for reversing the directions of the magnetizations M15 and M17 of the storage layer 32 by spin injection can be reduced.

記憶層32の強磁性層15,17の材料としては、特に限定はないが、鉄、ニッケル、コバルトの1種もしくは2種以上からなる合金材料を用いることができる。さらに、Nb,Zr等の遷移金属元素やB,C等の軽元素を含有させることもできる。また、例えばCoFe/NiFe/CoFeの積層膜といったように、材料が異なる複数の膜を直接(非磁性層を介さずに)積層して、強磁性層15,17を構成してもよい。   The material of the ferromagnetic layers 15 and 17 of the memory layer 32 is not particularly limited, but an alloy material composed of one or more of iron, nickel, and cobalt can be used. Furthermore, transition metal elements such as Nb and Zr, and light elements such as B and C can also be contained. Alternatively, the ferromagnetic layers 15 and 17 may be configured by directly stacking a plurality of films of different materials (not via a nonmagnetic layer) such as a CoFe / NiFe / CoFe stacked film.

記憶層32を構成する非磁性層16の材料としては、ルテニウム、銅、クロム、金、銀等が使用できる。非磁性層16の膜厚は、材料によって変動するが、好ましくは、ほぼ0.5nmから2.5nmの範囲で使用する。   As the material of the nonmagnetic layer 16 constituting the storage layer 32, ruthenium, copper, chromium, gold, silver, or the like can be used. Although the film thickness of the nonmagnetic layer 16 varies depending on the material, it is preferably used in the range of approximately 0.5 nm to 2.5 nm.

本実施の形態の記憶素子3は、下地層11からキャップ層21までを真空装置内で連続的に形成して、その後反応性イオンエッチングやイオンミリング等の微細加工によって記憶素子3のパターンを形成することにより、製造することができる。   In the memory element 3 of the present embodiment, the base layer 11 to the cap layer 21 are continuously formed in a vacuum apparatus, and then the pattern of the memory element 3 is formed by fine processing such as reactive ion etching or ion milling. By doing so, it can be manufactured.

上述の本実施の形態によれば、記憶層32が2層の強磁性層15,17が磁気的に結合した構成となっているため、下層の強磁性層15の磁化M15の向きと上層の強磁性層17の磁化M17の向きが互いに反平行になる。
また、記憶層32を挟む磁化固定層31,33において、それぞれ記憶層32に最も近い強磁性層(記憶層32に臨む強磁性層)13,19の磁化M13,M19が略平行の向きになっていることにより、下層の第1の磁化固定層31と記憶層32の下層の強磁性層15とにおけるスピン注入効果と、記憶層32の上層の強磁性層17と上層の第2の磁化固定層33とにおけるスピン注入効果とが加算される。
これにより、スピン注入効率を増大させることができるため、スピン注入により記憶層32の磁化M15,M17の向きを反転させるために必要な電流量を低減することができる。
According to the above-described embodiment, since the storage layer 32 has a configuration in which the two ferromagnetic layers 15 and 17 are magnetically coupled, the direction of the magnetization M15 of the lower ferromagnetic layer 15 and the upper layer The directions of the magnetization M17 of the ferromagnetic layer 17 are antiparallel to each other.
Also, in the magnetization fixed layers 31 and 33 sandwiching the storage layer 32, the magnetizations M13 and M19 of the ferromagnetic layers 13 and 19 closest to the storage layer 32 (ferromagnetic layers facing the storage layer 32) are substantially parallel to each other. As a result, the spin injection effect in the lower first magnetization fixed layer 31 and the lower ferromagnetic layer 15 of the storage layer 32, and the upper second ferromagnetic layer 17 and the upper second magnetization fixed in the storage layer 32 are achieved. The spin injection effect in the layer 33 is added.
Thereby, since the spin injection efficiency can be increased, the amount of current required for reversing the directions of the magnetizations M15 and M17 of the storage layer 32 by spin injection can be reduced.

即ち、記憶素子3に情報の記録を行うために必要な電流量を低減することができ、記憶素子3を備えたメモリにおいて、消費電力を低減することができる。
従って、従来にない低消費電力のメモリを実現することが可能になる。
That is, the amount of current necessary for recording information in the memory element 3 can be reduced, and power consumption can be reduced in a memory including the memory element 3.
Therefore, it is possible to realize a memory with low power consumption that has not been conventionally available.

次に、本発明の他の実施の形態として、メモリを構成する記憶素子の断面図を図3に示す。
この記憶素子30は、第1の磁化固定層31及び第2の磁化固定層33が、いずれも積層フェリ構造となっていることが、図2に示した記憶素子3とは異なっている。
具体的には、第1の磁化固定層31は、2層の強磁性層22,24が、非磁性層23を介して積層されて反強磁性結合した構成であり、第2の磁化固定層33は、2層の強磁性層25,27が、非磁性層26を介して積層されて反強磁性結合した構成である。
Next, as another embodiment of the present invention, a cross-sectional view of a memory element constituting a memory is shown in FIG.
The memory element 30 is different from the memory element 3 shown in FIG. 2 in that the first magnetization fixed layer 31 and the second magnetization fixed layer 33 both have a laminated ferrimagnetic structure.
Specifically, the first magnetization fixed layer 31 has a configuration in which two ferromagnetic layers 22 and 24 are stacked via a nonmagnetic layer 23 and are antiferromagnetically coupled. Reference numeral 33 denotes a configuration in which two ferromagnetic layers 25 and 27 are stacked via a nonmagnetic layer 26 and antiferromagnetically coupled.

そして、第1の磁化固定層31の各強磁性層22,24が積層フェリ構造となっているため、強磁性層22の磁化M22が右向き、強磁性層24の磁化M24が左向きとなっており、互いに反対の向きになっている。
これにより、第1の磁化固定層31の各強磁性層22,24から漏れる磁束が、互いに打ち消し合う。
Since each of the ferromagnetic layers 22 and 24 of the first pinned magnetization layer 31 has a laminated ferrimagnetic structure, the magnetization M22 of the ferromagnetic layer 22 faces right and the magnetization M24 of the ferromagnetic layer 24 faces left. Are in opposite directions.
As a result, magnetic fluxes leaking from the ferromagnetic layers 22 and 24 of the first magnetization fixed layer 31 cancel each other.

同様に、第2の磁化固定層33の各強磁性層25,27が積層フェリ構造となっているため、強磁性層25の磁化M25が左向き、強磁性層27の磁化M27が右向きとなっており、互いに反対の向きになっている。
これにより、第2の磁化固定層33の各強磁性層25,27から漏れる磁束が、互いに打ち消し合う。
Similarly, since the ferromagnetic layers 25 and 27 of the second magnetization fixed layer 33 have a laminated ferrimagnetic structure, the magnetization M25 of the ferromagnetic layer 25 is directed leftward, and the magnetization M27 of the ferromagnetic layer 27 is directed rightward. They are in opposite directions.
As a result, magnetic fluxes leaking from the ferromagnetic layers 25 and 27 of the second magnetization fixed layer 33 cancel each other.

また、第1の磁化固定層31及び第2の磁化固定層33を構成する、非磁性層23,26は、Ru,Cu,Rh等の材料を使用することができ、膜厚は0.5nm以上4nm以下が適当である。   The nonmagnetic layers 23 and 26 constituting the first magnetization fixed layer 31 and the second magnetization fixed layer 33 can use materials such as Ru, Cu, and Rh, and the film thickness is 0.5 nm. More than 4 nm is suitable.

さらに、本実施の形態においては、第1の磁化固定層31のうち記憶層32に最も近い強磁性層24の磁化M24が左向きであり、第2の磁化固定層33のうち記憶層32に最も近い強磁性層25の磁化M25が左向きであり、これらが略平行になっている。   Furthermore, in the present embodiment, the magnetization M24 of the ferromagnetic layer 24 closest to the storage layer 32 in the first magnetization fixed layer 31 is facing left, and the storage layer 32 is the most in the second magnetization fixed layer 33. The magnetization M25 of the near ferromagnetic layer 25 is directed leftward, and these are substantially parallel.

その他の構成は、図2に示した記憶素子3と同様であるので、同一符号を付して重複説明を省略する。
即ち、記憶層32が、非磁性層16を介して2層の強磁性層15,17が磁気的に結合した構成となっている。
Other configurations are the same as those of the memory element 3 shown in FIG.
That is, the storage layer 32 has a configuration in which the two ferromagnetic layers 15 and 17 are magnetically coupled via the nonmagnetic layer 16.

また、本実施の形態の記憶素子30を用いて、図1に示したメモリと同様の構成のメモリを構成することができる。
即ち、記憶素子30を2種類のアドレス配線の交点付近に配置してメモリを構成し、2種類のアドレス配線を通じて記憶素子30に上下方向(積層方向)の電流を流して、スピン注入により記憶層32の磁化M15,M17の向きを反転させて、記憶素子30に情報の記録を行うことができる。
Further, a memory having a structure similar to that of the memory illustrated in FIG. 1 can be formed using the memory element 30 of this embodiment.
That is, the memory element 30 is arranged near the intersection of two types of address wirings to form a memory, and a current in the vertical direction (stacking direction) is passed through the memory element 30 through the two types of address wirings, and the memory layer is formed by spin injection. Information can be recorded in the storage element 30 by reversing the directions of the magnetizations M15 and M17 of 32.

そして、本実施の形態においても、記憶層32が2層の強磁性層15,17が磁気的に結合した構成となっており、また記憶層32を挟む磁化固定層31,33において、それぞれ記憶層32に最も近い強磁性層(記憶層32に臨む強磁性層)24,25の磁化M24,M25が略平行の向きになっていることにより、先の実施の形態と同様に、スピン注入効率を増大させることができるため、スピン注入により記憶層32の磁化M15,M17の向きを反転させるために必要な電流量を低減することができる。   Also in the present embodiment, the storage layer 32 has a configuration in which the two ferromagnetic layers 15 and 17 are magnetically coupled, and each of the magnetization fixed layers 31 and 33 sandwiching the storage layer 32 stores data. Since the magnetizations M24 and M25 of the ferromagnetic layers 24 and 25 closest to the layer 32 (the ferromagnetic layers facing the storage layer 32) are in a substantially parallel orientation, the spin injection efficiency is the same as in the previous embodiment. Therefore, the amount of current necessary for reversing the directions of the magnetizations M15 and M17 of the storage layer 32 by spin injection can be reduced.

即ち、記憶素子30に情報の記録を行うために必要な電流量を低減することができ、記憶素子30を備えたメモリにおいて、消費電力を低減することができる。
従って、従来にない低消費電力のメモリを実現することが可能になる。
In other words, the amount of current necessary for recording information in the memory element 30 can be reduced, and power consumption can be reduced in a memory including the memory element 30.
Therefore, it is possible to realize a memory with low power consumption that has not been conventionally available.

(実施例)
ここで、本発明の記憶素子の構成において、具体的に各層の材料や膜厚等を選定して、特性を調べた。
実際には、メモリには、図1や図4に示したように、記憶素子以外にもスイッチング用の半導体回路等が存在するが、ここでは、記憶層の磁気抵抗特性を調べる目的で、記憶素子のみを形成したウエハにより検討を行った。
(Example)
Here, in the structure of the memory element of the present invention, the material and film thickness of each layer were specifically selected, and the characteristics were examined.
Actually, as shown in FIG. 1 and FIG. 4, the memory includes a semiconductor circuit for switching in addition to the memory element. Here, for the purpose of examining the magnetoresistive characteristics of the memory layer, the memory is stored. The study was performed using a wafer on which only elements were formed.

(実施例1)
厚さ0.575mmのシリコン基板上に、厚さ2μmの熱酸化膜を形成し、その上に図2に示した構成の記憶素子3を形成した。
具体的には、図2に示した構成の記憶素子3において、各層の材料及び膜厚を、下地膜11を膜厚3nmのTa膜、反強磁性層12,20を膜厚20nmのPtMn膜、第1の磁化固定層31を構成する強磁性層13を膜厚5nmのCoFe膜、トンネル絶縁層となる絶縁層14を膜厚0.5nmのAl膜を酸化した酸化アルミニウム膜、積層フェリ構造の記憶層32を構成する強磁性層15,17を膜厚2nmのCoFe膜、積層フェリ構造の記憶層32を構成する非磁性層16を膜厚3.6nmのRu膜、非磁性スペーサ層18を膜厚6nmのCu膜、第2の磁化固定層33を構成する強磁性層19を膜厚2.5nmのCoFe膜、キャップ層21を膜厚5nmのTa膜と選定し、また下地膜11と反強磁性層12との間に図示しない膜厚100nmのCu膜(後述するワード線となるもの)を設けて、各層を形成した。
上記膜構成で、PtMn膜の組成はPt50Mn50(原子%)、CoFe膜の組成はCo90Fe10(原子%)、NiFe膜の組成はNi80Fe20(原子%)とした。
酸化アルミニウム膜から成る絶縁層16以外の各層は、DCマグネトロンスパッタ法を用いて成膜した。
酸化アルミニウム(Al−O)膜から成る絶縁層16は、まず金属Al膜をDCスパッタ法により0.5nm堆積させて、その後に酸素/アルゴンの流量比を1:1とし、チャンバーガス圧を10Torrとして、自然酸化法により金属Al層を酸化させた。酸化時間は10分とした。
さらに、記憶素子3の各層を成膜した後に、磁場中熱処理炉で、10kOe・270℃・4時間の熱処理を行い、反強磁性層12,20のPtMn膜の規則化熱処理を行った。
Example 1
A thermal oxide film having a thickness of 2 μm was formed on a silicon substrate having a thickness of 0.575 mm, and the memory element 3 having the configuration shown in FIG. 2 was formed thereon.
Specifically, in the memory element 3 having the configuration shown in FIG. 2, the material and thickness of each layer are as follows: the base film 11 is a Ta film with a thickness of 3 nm, and the antiferromagnetic layers 12 and 20 are PtMn films with a thickness of 20 nm. The ferromagnetic layer 13 constituting the first magnetization fixed layer 31 is a CoFe film having a thickness of 5 nm, the insulating layer 14 serving as a tunnel insulating layer is an aluminum oxide film obtained by oxidizing an Al film having a thickness of 0.5 nm, and a laminated ferri structure The ferromagnetic layers 15 and 17 constituting the storage layer 32 are 2 nm thick CoFe films, the nonmagnetic layer 16 constituting the laminated ferrimagnetic storage layer 32 is 3.6 nm thick Ru film, and the nonmagnetic spacer layer 18. Is a Cu film having a film thickness of 6 nm, the ferromagnetic layer 19 constituting the second magnetization fixed layer 33 is a CoFe film having a film thickness of 2.5 nm, and the cap layer 21 is a Ta film having a film thickness of 5 nm. And a film not shown between the antiferromagnetic layer 12 and Provided 100nm of the Cu film (that becomes a word line to be described later) to form each layer.
In the above film configuration, the composition of the PtMn film was Pt50Mn50 (atomic%), the composition of the CoFe film was Co90Fe10 (atomic%), and the composition of the NiFe film was Ni80Fe20 (atomic%).
Each layer other than the insulating layer 16 made of an aluminum oxide film was formed using a DC magnetron sputtering method.
The insulating layer 16 made of an aluminum oxide (Al—O x ) film is formed by first depositing a metal Al film to a thickness of 0.5 nm by the DC sputtering method, and then setting the oxygen / argon flow ratio to 1: 1 and the chamber gas pressure to The metal Al layer was oxidized by a natural oxidation method at 10 Torr. The oxidation time was 10 minutes.
Further, after each layer of the memory element 3 was formed, heat treatment was performed at 10 kOe · 270 ° C. for 4 hours in a heat treatment furnace in a magnetic field, and ordered heat treatment was performed on the PtMn films of the antiferromagnetic layers 12 and 20.

次に、ワード線部分をフォトリソグラフィによってマスクした後に、ワード線以外の部分の積層膜に対してArプラズマにより選択エッチングを行うことにより、ワード線(下部電極)を形成した。この際に、ワード線部分以外は、基板の深さ5nmまでエッチングされた。   Next, after masking the word line portion by photolithography, selective etching was performed by Ar plasma on the laminated film other than the word line to form the word line (lower electrode). At this time, except for the word line portion, the substrate was etched to a depth of 5 nm.

その後、電子ビーム描画装置により記憶素子3のパターンのマスクを形成し、積層膜に対して選択エッチングを行い、記憶素子3を形成した。記憶素子3部分以外は、ワード線のCu層直上までエッチングした。
なお、特性評価用の記憶素子には、磁化反転に必要なスピントルクを発生させるために、記憶素子に充分な電流を流す必要があるため、トンネル絶縁層の抵抗値を抑える必要がある。そこで、記憶素子3のパターンを、短軸0.09μm×長軸0.18μmの楕円形状として、記憶素子3の面積抵抗値(Ωμm2)が10Ωμm2となるようにした。
Thereafter, a mask of the pattern of the memory element 3 was formed by an electron beam drawing apparatus, and selective etching was performed on the laminated film to form the memory element 3. Except for the memory element 3 portion, the etching was performed up to the Cu layer of the word line.
In addition, in order to generate the spin torque necessary for the magnetization reversal, it is necessary to flow a sufficient current through the storage element for the characteristic evaluation storage element, and thus it is necessary to suppress the resistance value of the tunnel insulating layer. Therefore, the pattern of the memory element 3 is an ellipse having a minor axis of 0.09 μm and a major axis of 0.18 μm, and the area resistance value (Ωμm 2 ) of the memory element 3 is set to 10Ωμm 2 .

次に、記憶素子3部分以外を、厚さ100nm程度のAlのスパッタリングによって絶縁した。
その後、フォトリソグラフィを用いて、上部電極となるビット線及び測定用のパッドを形成した。
このようにして、実施例1の試料を作製した。
Next, the portions other than the memory element 3 portion were insulated by sputtering of Al 2 O 3 having a thickness of about 100 nm.
Thereafter, a bit line to be an upper electrode and a measurement pad were formed using photolithography.
Thus, the sample of Example 1 was produced.

(実施例2)
図3に示した記憶素子30の構成とし、第1の磁化固定層31を構成する強磁性層22を膜厚2nmのCoFe膜、第1の磁化固定層31を構成する強磁性層24を膜厚4nmのCoFe膜、第2の磁化固定層33を構成する強磁性層25,27を膜厚2.5nmのCoFe膜、磁化固定層31,33を構成する非磁性層23,26を膜厚0.8nmのRu膜と選定し、その他の構成は実施例1と同様にして、実施例2の試料を作製した。
(Example 2)
3, the ferromagnetic layer 22 constituting the first magnetization fixed layer 31 is a CoFe film having a thickness of 2 nm, and the ferromagnetic layer 24 constituting the first magnetization fixed layer 31 is a film. The CoFe film having a thickness of 4 nm, the ferromagnetic layers 25 and 27 constituting the second magnetization fixed layer 33 being the CoFe film having a thickness of 2.5 nm, and the nonmagnetic layers 23 and 26 constituting the magnetization fixed layers 31 and 33 being the film thickness A sample of Example 2 was prepared in the same manner as in Example 1 except that a 0.8 nm Ru film was selected.

(比較例1)
図3の記憶素子30の構成の記憶層32の代わりに、単層の強磁性層から成る記憶層を設け、この強磁性層を膜厚4nmのCoFe膜と選定し、また第2の磁化固定層33を単層の強磁性層から成る構成として、この強磁性層を膜厚2.5nmのCoFe膜と選定し、その他の構成は実施例2と同様にして、比較例1の試料を作製した。
即ち、この比較例1の試料は、図7Aに示すように、記憶層32の下層の磁化固定層31が2層の強磁性層22,24から成る積層フェリ構造であり、記憶層32及び記憶層32の上層の磁化固定層33がいずれも単層の強磁性層32,19から成る構成である。
また、図7Aに示すように、第1の磁化固定層31及び第2の磁化固定層33において、それぞれ記憶層32に最も近い強磁性層24,19の磁化M24,M19の向きが反平行になるため、前記特許文献2や前記特許文献3に記載された構成と同様の構成であるといえる。
(Comparative Example 1)
Instead of the memory layer 32 of the configuration of the memory element 30 in FIG. 3, a memory layer made of a single ferromagnetic layer is provided, this ferromagnetic layer is selected as a CoFe film having a thickness of 4 nm, and the second magnetization fixed The layer 33 is composed of a single ferromagnetic layer, and this ferromagnetic layer is selected as a CoFe film having a film thickness of 2.5 nm. The other structure is the same as that of Example 2, and the sample of Comparative Example 1 is manufactured. did.
That is, the sample of Comparative Example 1 has a laminated ferrimagnetic structure in which the magnetization fixed layer 31 below the storage layer 32 is composed of two ferromagnetic layers 22 and 24, as shown in FIG. 7A. Each of the magnetization fixed layers 33 above the layer 32 is composed of single ferromagnetic layers 32 and 19.
In addition, as shown in FIG. 7A, in the first magnetization fixed layer 31 and the second magnetization fixed layer 33, the directions of the magnetizations M24 and M19 of the ferromagnetic layers 24 and 19 closest to the storage layer 32 are antiparallel. Therefore, it can be said that it is the structure similar to the structure described in the said patent document 2 or the said patent document 3. FIG.

(比較例2)
図3の記憶素子30の構成において、第1の磁化固定層31を構成する強磁性層22を膜厚1.5nmのCoFe膜、強磁性層24を膜厚3.5nmのCoFe膜と選定し、また第2の固定層33を単層の強磁性層から成る構成として、この強磁性層を膜厚4nmのCoFe膜と選定し、その他の構成は実施例2と同様にして、比較例2の試料を作製した。
即ち、この比較例2の試料は、図7Bに示すように、記憶層17の下層の第1の磁化固定層31の2層の強磁性層22,24の膜厚が異なり、第1の磁化固定層31の合成磁化がゼロにならない(M24>M22)構成であり、また第1の磁化固定層31及び第2の磁化固定層33においてそれぞれ記憶層32に最も近い強磁性層24,19の磁化M24,M19の向きが反平行になる構成である。
(Comparative Example 2)
In the configuration of the memory element 30 in FIG. 3, the ferromagnetic layer 22 constituting the first magnetization fixed layer 31 is selected as a CoFe film having a thickness of 1.5 nm, and the ferromagnetic layer 24 is selected as a CoFe film having a thickness of 3.5 nm. The second fixed layer 33 is composed of a single ferromagnetic layer, and this ferromagnetic layer is selected as a CoFe film having a thickness of 4 nm. A sample of was prepared.
That is, in the sample of Comparative Example 2, as shown in FIG. 7B, the film thicknesses of the two ferromagnetic layers 22 and 24 of the first magnetization fixed layer 31 below the storage layer 17 are different. The combined magnetization of the fixed layer 31 does not become zero (M24> M22), and the ferromagnetic layers 24 and 19 of the first magnetization fixed layer 31 and the second magnetization fixed layer 33 that are closest to the storage layer 32 respectively. In this configuration, the directions of the magnetizations M24 and M19 are antiparallel.

(比較例3)
トンネル絶縁層14までの各層を実施例2と同様の構成とし、その上に膜厚4nmのCoFe膜から成る記憶層、膜厚5nmのTa膜から成るキャップ層を形成して、比較例3の試料を作製した。
即ち、この比較例3の試料は、磁化固定層が記憶層の一方の側のみに設けられた通常のスピン注入の記憶素子の構成である。
(Comparative Example 3)
Each layer up to the tunnel insulating layer 14 is configured in the same manner as in Example 2, and a storage layer made of a CoFe film having a thickness of 4 nm and a cap layer made of a Ta film having a thickness of 5 nm are formed thereon. A sample was prepared.
That is, the sample of Comparative Example 3 has a configuration of a normal spin injection storage element in which the magnetization fixed layer is provided only on one side of the storage layer.

これら各実施例及び各比較例の試料に対して、それぞれ以下のようにして特性の評価を行った。
測定に先立ち、反転電流のプラス方向とマイナス方向の値を対称になるように制御することを可能にするため、記憶素子に対して、外部から磁界を与えることができるように構成した。また、記憶素子に流す電流量が、絶縁層16が破壊しない範囲内の1mAまでとなるように設定した。
The characteristics of the samples of these Examples and Comparative Examples were evaluated as follows.
Prior to the measurement, in order to control the positive and negative values of the reversal current to be symmetrical, a magnetic field can be applied to the storage element from the outside. In addition, the amount of current flowing through the memory element was set to 1 mA within a range where the insulating layer 16 was not broken.

(反転電流値の測定)
記憶素子に電流を流して、その後の記憶素子の抵抗値を測定した。記憶素子の抵抗値を測定する際には、温度を室温25℃として、ワード線の端子とビット線の端子にかかるバイアス電圧が10mVとなるように調節した。さらに、記憶素子に流す電流量を変化させて、この記憶素子の抵抗値の測定を行い、測定結果から抵抗−電流曲線を得た。この抵抗−電流曲線から、抵抗値が変化する電流値を求めて、これを磁化の向きを反転させる反転電流値とした。なお、この抵抗−電流曲線を得る測定は、両極性(プラス方向及びマイナス方向)の電流について行い、両極性の反転電流値を求めた。
(Reverse current value measurement)
A current was passed through the memory element, and then the resistance value of the memory element was measured. When measuring the resistance value of the memory element, the temperature was set to room temperature 25 ° C. and the bias voltage applied to the word line terminal and the bit line terminal was adjusted to 10 mV. Further, the resistance value of the memory element was measured by changing the amount of current flowing through the memory element, and a resistance-current curve was obtained from the measurement result. From this resistance-current curve, a current value at which the resistance value changes was obtained, and this was set as an inversion current value for reversing the direction of magnetization. In addition, the measurement which obtains this resistance-current curve was performed about the electric current of both polarities (a plus direction and a minus direction), and obtained the inversion current value of both polarities.

得られた結果をまとめて表1に示す。   The results obtained are summarized in Table 1.

Figure 2006108316
Figure 2006108316

表1より、実施例1及び実施例2は、磁化反転電流を0.4mA以下に低減することができることがわかる。
一方、比較例1〜比較例3は、磁化反転電流が0.6mA〜0.8mAと大きい。
即ち、実施例1及び実施例2のように、本発明の記憶素子の構成とすることにより、(通常の構成である)比較例に対して、反転電流値を約半分に低減することができる。
従って、本発明の記憶素子の構成とすることにより、0.5mA以下の電流量で記憶層に情報の書き込みを行うことが可能であり、これまでにない低消費電力型のメモリを実現することが可能になる。
Table 1 shows that Example 1 and Example 2 can reduce a magnetization reversal current to 0.4 mA or less.
On the other hand, in Comparative Examples 1 to 3, the magnetization reversal current is as large as 0.6 mA to 0.8 mA.
That is, as in Example 1 and Example 2, the configuration of the memory element of the present invention can reduce the inversion current value to about half that of the comparative example (which is a normal configuration). .
Therefore, by using the structure of the memory element of the present invention, information can be written to the memory layer with a current amount of 0.5 mA or less, and an unprecedented low power consumption type memory can be realized. Is possible.

上述の各実施の形態では、記憶層32と上層の第2の磁化固定層33との間に非磁性層スペーサ層18を設けてGMR素子を形成した構成であったが、本発明では、記憶層と上層の磁化固定層との間にトンネル絶縁層を設けてTMR素子を形成し、上下の磁気抵抗効果素子をいずれもTMR素子により構成しても良い。   In each of the embodiments described above, the GMR element is formed by providing the nonmagnetic layer spacer layer 18 between the storage layer 32 and the upper second magnetization fixed layer 33. A tunnel insulating layer may be provided between the upper layer and the upper magnetization fixed layer to form a TMR element, and the upper and lower magnetoresistive elements may be composed of TMR elements.

本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。   The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various other configurations can be taken without departing from the gist of the present invention.

本発明の一実施の形態のメモリの概略構成図(斜視図)である。1 is a schematic configuration diagram (perspective view) of a memory according to an embodiment of the present invention. 図1の記憶素子の断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of the memory element in FIG. 1. 本発明の他の実施の形態の記憶素子の断面図である。It is sectional drawing of the memory element of other embodiment of this invention. スピン注入による磁化反転を利用したメモリの概略構成図(斜視図)である。It is a schematic block diagram (perspective view) of a memory using magnetization reversal by spin injection. 図4のメモリの断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view of the memory of FIG. 4. 従来のMRAMの構成を模式的に示した斜視図である。It is the perspective view which showed the structure of the conventional MRAM typically. A 比較例1の記憶素子の断面図である。 B 比較例2の記憶素子の断面図である。A is a cross-sectional view of a memory element of Comparative Example 1. FIG. B is a cross-sectional view of a memory element of Comparative Example 2. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

3,30 記憶素子、11 下地層、12,20 反強磁性層、13,15,17,19,22,24,25,27 強磁性層、14 トンネル絶縁層、16,23,26 非磁性層、18 非磁性スペーサ層、21 キャップ層、31 第1の磁化固定層、32 記憶層、33 第2の磁化固定層   3, 30 Memory element, 11 Underlayer, 12, 20 Antiferromagnetic layer, 13, 15, 17, 19, 22, 24, 25, 27 Ferromagnetic layer, 14 Tunnel insulating layer, 16, 23, 26 Nonmagnetic layer , 18 Nonmagnetic spacer layer, 21 Cap layer, 31 First magnetization fixed layer, 32 Storage layer, 33 Second magnetization fixed layer

Claims (5)

情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有し、
前記記憶層の上下に、それぞれ中間層を介して磁化固定層が設けられ、
前記記憶層の上下の前記磁化固定層において、それぞれ前記記憶層に最も近い前記強磁性層の磁化の向きが略平行であり、
前記記憶層が、非磁性導体層を介して積層された複数層の強磁性層から成り、
前記記憶層の最も上層の強磁性層と最も下層の強磁性層とが、磁化の向きが互いに反平行であり、
積層方向に電流を流すことにより、前記記憶層の磁化の向きが変化して、前記記憶層に対して情報の記録が行われる
ことを特徴とする記憶素子。
It has a storage layer that holds information according to the magnetization state of the magnetic material,
A magnetization fixed layer is provided above and below the storage layer via an intermediate layer, respectively.
In the magnetization fixed layers above and below the storage layer, the magnetization directions of the ferromagnetic layers closest to the storage layer are substantially parallel,
The storage layer is composed of a plurality of ferromagnetic layers stacked via a nonmagnetic conductor layer,
The uppermost ferromagnetic layer and the lowermost ferromagnetic layer of the storage layer have magnetization directions antiparallel to each other,
The storage element is characterized in that by flowing a current in the stacking direction, the magnetization direction of the storage layer is changed, and information is recorded on the storage layer.
前記記憶層の前記複数層の強磁性層が、各強磁性層間に働く交換相互作用を介して、上下の強磁性層の磁化の向きが互いに反平行となるように磁気的に結合していることを特徴とする請求項1に記載の記憶素子。   The plurality of ferromagnetic layers of the storage layer are magnetically coupled to each other so that the magnetization directions of the upper and lower ferromagnetic layers are antiparallel to each other through exchange interaction acting between the ferromagnetic layers. The memory element according to claim 1. 前記記憶層の前記複数層の記録層の強磁性層が、各強磁性層の端部に発生する磁極からの磁界が相互に印加されることにより、各強磁性層間に働く反強磁性的な静磁結合を介して、上下の強磁性層の磁化の向きが互いに反平行となるように結合していることを特徴とする請求項1に記載の記憶素子。   The ferromagnetic layers of the recording layers of the storage layer are antiferromagnetically acting between the ferromagnetic layers by mutually applying a magnetic field from the magnetic poles generated at the ends of the ferromagnetic layers. 2. The memory element according to claim 1, wherein the upper and lower ferromagnetic layers are coupled so as to be antiparallel to each other via magnetostatic coupling. 前記記憶層の前記非磁性導体層が、Mg,Al,Si,Ge,Ti,V,Cr,Zr,Nb,Mo,Hf,Ta,W,Cu,Ag,Au,Ru,Rhの中から選ばれる1つ以上の元素を主成分とする材料、もしくはこれらの元素の合金を主成分とする材料から成ることを特徴とする請求項1に記載の記憶素子。   The nonmagnetic conductor layer of the memory layer is selected from Mg, Al, Si, Ge, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Cu, Ag, Au, Ru, and Rh. The memory element according to claim 1, wherein the memory element is made of a material containing one or more elements as a main component or a material containing an alloy of these elements as a main component. 情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有する記憶素子と、
互いに交差する2種類の配線とを備え、
前記記憶素子は、前記記憶層の上下に、それぞれ中間層を介して磁化固定層が設けられ、前記記憶層の上下の前記磁化固定層において、それぞれ前記記憶層に最も近い前記強磁性層の磁化の向きが略平行であり、前記記憶層が、非磁性導体層を介して積層された複数層の強磁性層から成り、前記記憶層の最も上層の強磁性層と最も下層の強磁性層とが、磁化の向きが互いに反平行であり、積層方向に電流を流すことにより、前記記憶層の磁化の向きが変化して、前記記憶層に対して情報の記録が行われる構成であり、
前記2種類の配線の交点付近かつ前記2種類の配線の間に、前記記憶素子が配置され、 前記2種類の配線を通じて、前記記憶素子に前記積層方向の電流が流れる
ことを特徴とするメモリ。
A storage element having a storage layer for retaining information by the magnetization state of the magnetic material;
Two types of wiring intersecting each other,
In the storage element, a magnetization fixed layer is provided above and below the storage layer via an intermediate layer, and in the magnetization fixed layer above and below the storage layer, the magnetization of the ferromagnetic layer closest to the storage layer, respectively. The storage layer is composed of a plurality of ferromagnetic layers stacked via a nonmagnetic conductor layer, and the uppermost ferromagnetic layer and the lowermost ferromagnetic layer of the storage layer, However, the magnetization directions are antiparallel to each other, and by flowing a current in the stacking direction, the magnetization direction of the storage layer is changed, and information is recorded on the storage layer.
The memory is characterized in that the memory element is arranged near an intersection of the two types of wiring and between the two types of wiring, and the current in the stacking direction flows through the memory element through the two types of wiring.
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