JP2006128394A

JP2006128394A - Magnetoresistance effect element

Info

Publication number: JP2006128394A
Application number: JP2004314359A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Kishi; 達也岸; Masahiko Nakayama; 昌彦中山; Yoshiaki Fukuzumi; 嘉晃福住; Tadashi Kai; 正甲斐
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-10-28
Filing date: 2004-10-28
Publication date: 2006-05-18
Anticipated expiration: 2024-10-28
Also published as: JP4110132B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent the erroneous writing of a semi-selective cell and reduce a switching magnetic field. <P>SOLUTION: The magnetoresistance effect element has a laminated structure that comprises first and second ferromagnetic layers, and a nonmagnetic layer disposed between the ferromagnetic layers. At least one of the first and second ferromagnetic layers is constituted of a first part having a magnetic anisotropy in a first direction, and a second part that is connected to the first part and has a magnetic anisotropy in a third direction different from the first direction and a second direction which is reverse to the first direction. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子の構造に関し、特に、磁気ランダムアクセスメモリに使用される。 The present invention relates to a structure of a magnetoresistive effect element, and is particularly used for a magnetic random access memory.

近年、巨大磁気抵抗(GMR: Giant Magneto Resistive)効果を示す磁気メモリ素子が開発されたことに伴い、強磁性トンネル接合を持つ素子が磁気メモリのメモリ素子として使用されるようになっている。 In recent years, with the development of a magnetic memory element exhibiting a giant magnetoresistive (GMR) effect, an element having a ferromagnetic tunnel junction has been used as a memory element of a magnetic memory.

強磁性トンネル接合は、強磁性層／絶縁層／強磁性層の積層構造から構成され、２つの強磁性層の間に電圧を印加することにより絶縁層にトンネル電流が流れる。この場合、接合抵抗値は、２つの強磁性層の磁化の向きの相対角の余弦に比例して変化する。 The ferromagnetic tunnel junction has a laminated structure of a ferromagnetic layer / insulating layer / ferromagnetic layer, and a tunnel current flows through the insulating layer by applying a voltage between the two ferromagnetic layers. In this case, the junction resistance value changes in proportion to the cosine of the relative angle of the magnetization directions of the two ferromagnetic layers.

従って、接合抵抗値は、２つの強磁性層の磁化の向きが同じ（平行状態）であるときに、最も小さい値となり、逆に、２つの強磁性層の磁化の向きが逆（反平行状態）であるときに、最も大きい値となる。 Therefore, the junction resistance value is the smallest when the magnetization directions of the two ferromagnetic layers are the same (parallel state), and conversely, the magnetization directions of the two ferromagnetic layers are opposite (anti-parallel state). ) Is the largest value.

このような接合抵抗値が２つの強磁性層の磁化パターンにより変化する現象は、トンネル磁気抵抗(TMR: Tunneling Magneto Resistive)効果と呼ばれている。最近では、ＴＭＲ効果によるＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子の抵抗値の変化率（ＭＲ比）は、常温において４９．７％になることが報告されている。 Such a phenomenon that the junction resistance value changes depending on the magnetization patterns of the two ferromagnetic layers is called a tunneling magnetoresistive (TMR) effect. Recently, it has been reported that the rate of change (MR ratio) in the resistance value of an MTJ (Magnetic Tunnel Junction) element due to the TMR effect is 49.7% at room temperature.

強磁性トンネル接合を持つ磁気抵抗効果素子においては、２つの強磁性層のうちの一方を、磁化パターンが固定された基準層（ピン層）とし、他方を、データに応じて磁化パターンが変化する記憶層（フリー層）とする。そして、例えば、基準層と記憶層の磁化が平行状態にあるときを“０”とし、反平行状態にあるときを“１”とする。 In a magnetoresistive effect element having a ferromagnetic tunnel junction, one of two ferromagnetic layers is used as a reference layer (pinned layer) having a fixed magnetization pattern, and the other is changed in magnetization pattern according to data. A storage layer (free layer) is used. For example, “0” is set when the magnetizations of the reference layer and the storage layer are in a parallel state, and “1” is set when the magnetization is in an antiparallel state.

データの書き込みは、例えば、書き込み線に流す書き込み電流により発生する磁場を磁気抵抗効果素子に与え、その磁気抵抗効果素子の記憶層の磁化の向きを反転させることにより行う。データの読み出しは、磁気抵抗効果素子の強磁性トンネル接合に読み出し電流を流し、ＴＭＲ効果による強磁性トンネル接合の抵抗変化を検出することにより行われる。 Data is written, for example, by applying a magnetic field generated by a write current flowing through the write line to the magnetoresistive effect element and reversing the magnetization direction of the storage layer of the magnetoresistive effect element. Data is read by passing a read current through the ferromagnetic tunnel junction of the magnetoresistive effect element and detecting a resistance change of the ferromagnetic tunnel junction due to the TMR effect.

このような磁気抵抗効果素子をアレイ状に配置することにより磁気メモリが構成される。実際の構成については、磁気抵抗効果素子をランダムアクセスできるように、例えば、ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）と同様に、１つの磁気抵抗効果素子に対して１つのスイッチングトランジスタを接続させる。 A magnetic memory is configured by arranging such magnetoresistive elements in an array. As for the actual configuration, one switching transistor is connected to one magnetoresistive element, for example, like a dynamic random access memory (DRAM), so that the magnetoresistive element can be randomly accessed.

また、ワード線とビット線が交差する位置に、ダイオードと強磁性トンネル接合とが組み合わされた磁気抵抗効果素子を配置する技術も提案されている。 In addition, a technique has been proposed in which a magnetoresistive effect element in which a diode and a ferromagnetic tunnel junction are combined is arranged at a position where a word line and a bit line intersect.

さて、強磁性トンネル接合を持つ磁気抵抗効果素子の高集積化を考えると、セルサイズを小さくしなければならないため、磁気抵抗効果素子の強磁性層のサイズが必然的に小さくなる。 Now, considering high integration of magnetoresistive effect elements having ferromagnetic tunnel junctions, the cell size must be reduced, and therefore the size of the ferromagnetic layer of the magnetoresistive effect element is inevitably reduced.

ここで、強磁性層の性質として、強磁性層の磁気構造（磁化パターン）は、複数の磁区から構成される。長方形の強磁性層の場合、長軸方向の中央部の磁気構造は、磁化が長辺に沿った方向を向く磁区を構成しているが、長軸方向の両端部の磁気構造は、磁化が短辺に沿った方向を向く磁区、いわゆるエッジドメインを構成している。 Here, as a property of the ferromagnetic layer, the magnetic structure (magnetization pattern) of the ferromagnetic layer is composed of a plurality of magnetic domains. In the case of a rectangular ferromagnetic layer, the magnetic structure in the central part in the major axis direction forms a magnetic domain in which the magnetization is directed along the long side. A magnetic domain that faces in a direction along the short side, that is, a so-called edge domain is formed.

エッジドメインは、ＴＭＲ効果によるＭＲ比を低下させる原因となり、エッジドメインによるＭＲ比の低下の割合は、強磁性層のサイズが小さくなればなるほど大きくなる。また、強磁性層の磁化パターンのスイッチング（磁化反転）を行うに当たって、磁気構造の変化が複雑になるため、ノイズの発生原因となるばかりでなく、保磁力が大きくなり、スイッチング磁場が増大する。 The edge domain causes a decrease in the MR ratio due to the TMR effect, and the rate of decrease in the MR ratio due to the edge domain increases as the size of the ferromagnetic layer decreases. Further, when switching the magnetization pattern of the ferromagnetic layer (magnetization reversal), the change in the magnetic structure becomes complicated, which not only causes noise, but also increases the coercive force and increases the switching magnetic field.

この問題を解決するために、記憶層（強磁性層）の形状を、磁化容易軸に対して非対称となる形状、例えば、平行四辺形とする磁気抵抗効果素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。 In order to solve this problem, there has been proposed a magnetoresistive element in which the shape of the storage layer (ferromagnetic layer) is asymmetric with respect to the easy magnetization axis, for example, a parallelogram (for example, a patent) Reference 1).

この技術によれば、エッジドメインが小さくなるため、記憶層のほぼ全体にわたって単一の磁区を構成できる。 According to this technique, since the edge domain becomes small, a single magnetic domain can be formed over almost the entire storage layer.

一方、スイッチング時における強磁性層の磁気構造の複雑な変化を防ぐ方法として、記憶層（強磁性層）の端部にハードバイアスを与えてエッジドメインを常に固定しておく技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。 On the other hand, as a method for preventing a complicated change in the magnetic structure of the ferromagnetic layer at the time of switching, a technique has been proposed in which the edge domain is always fixed by applying a hard bias to the end of the storage layer (ferromagnetic layer). (For example, refer to Patent Document 2).

また、長方形の記憶層（強磁性層）に対して、磁化容易軸方向に垂直な方向に突出した部分を新たに付加し、記憶層の形状を、Ｈ型、若しくは、Ｉ型とする技術が提案されている（例えば、特許文献３参照）。 Further, there is a technique in which a part protruding in a direction perpendicular to the easy magnetization axis direction is newly added to the rectangular storage layer (ferromagnetic layer), and the shape of the storage layer is changed to an H type or an I type. It has been proposed (see, for example, Patent Document 3).

このように、記憶層の形状をＨ型、若しくは、Ｉ型とすることにより、スイッチング時における強磁性層の磁気構造の複雑な変化を防ぎ、スイッチング磁場を低下させることができる。 Thus, by making the shape of the memory layer H type or I type, a complicated change in the magnetic structure of the ferromagnetic layer at the time of switching can be prevented and the switching magnetic field can be lowered.

ところで、強磁性層のサイズが小さくなると、その保磁力は大きくなる。保磁力の大きさは、磁化を反転するために必要なスイッチング磁場の大きさの目安となるため、保磁力が大きくなるということは、磁気抵抗効果素子のスイッチング磁場が大きくなることを意味する。 By the way, as the size of the ferromagnetic layer decreases, the coercive force increases. Since the magnitude of the coercive force is a measure of the magnitude of the switching magnetic field necessary for reversing the magnetization, an increase in the coercive force means an increase in the switching magnetic field of the magnetoresistive element.

従って、磁気抵抗効果素子の微細化により強磁性層のサイズが小さくなると、データの書き込み時に大きな書き込み電流が必要となり、消費電力の増加、配線寿命の短命化などの好ましくない結果をもたらす。 Therefore, if the size of the ferromagnetic layer is reduced due to the miniaturization of the magnetoresistive effect element, a large write current is required at the time of data writing, resulting in undesirable results such as an increase in power consumption and a shortened wiring life.

このようなことから、磁気抵抗効果素子の微細化とそれに用いる強磁性層の保磁力の低減とを同時に実現することが、大容量磁気メモリを実用化するに当たって必要不可欠な課題となっている。 For this reason, simultaneously miniaturizing the magnetoresistive effect element and reducing the coercive force of the ferromagnetic layer used for it are indispensable issues for practical use of a large-capacity magnetic memory.

この課題を解決するために、記憶層が、少なくとも、２つの強磁性層と、それらの間に配置される非磁性層とから構成される磁気抵抗効果素子が提案されている（例えば、特許文献４参照）。 In order to solve this problem, there has been proposed a magnetoresistive effect element in which the storage layer is composed of at least two ferromagnetic layers and a nonmagnetic layer disposed between them (for example, Patent Documents). 4).

この場合、２つの強磁性層は、磁気モーメント又は厚さが異なり、反強磁性結合により磁化の向きが互いに逆となる。このため、実効的には、互いに磁化による影響を相殺し合うため、記憶層全体としては、磁化容易軸方向に小さな磁化を持った強磁性体と同等と考えることができる。 In this case, the two ferromagnetic layers have different magnetic moments or thicknesses, and the magnetization directions are opposite to each other due to antiferromagnetic coupling. For this reason, in order to effectively cancel out the influences of magnetization, the entire storage layer can be considered as equivalent to a ferromagnetic material having a small magnetization in the easy axis direction.

この磁化容易軸方向の小さな磁化の向きに対して逆に磁場を印加すると、強磁性層の磁化は、反強磁性結合を保ったまま反転する。この時、磁力線が閉じていることから反磁場による影響は小さくなる。また、記憶層のスイッチング磁場は、強磁性層の保磁力により決まるため、小さなスイッチング磁場で磁化の反転が可能になる。 When a magnetic field is applied to the small magnetization direction in the easy axis direction, the magnetization of the ferromagnetic layer is reversed while maintaining antiferromagnetic coupling. At this time, the influence of the demagnetizing field is reduced because the magnetic lines of force are closed. In addition, since the switching magnetic field of the storage layer is determined by the coercive force of the ferromagnetic layer, the magnetization can be reversed with a small switching magnetic field.

尚、２つの強磁性層の間に層間結合がない場合には、これら強磁性層からの洩れ磁場によって静磁結合による相互作用が発生する。この場合においても、スイッチング磁場の低減を図ることができる（例えば、非特許文献１参照）。 When there is no interlayer coupling between the two ferromagnetic layers, an interaction due to magnetostatic coupling occurs due to the leakage magnetic field from these ferromagnetic layers. Even in this case, the switching magnetic field can be reduced (for example, see Non-Patent Document 1).

しかし、２つの強磁性層の間に層間結合がなく、静磁結合のみが存在する場合には、強磁性層の磁気構造が不安定になる。また、この場合、ヒステリシス曲線又は磁気抵抗曲線における角型比が小さくなり、大きな磁気抵抗比を得ることが困難となるので、磁気抵抗効果素子としては好ましくない。
このように、記憶層の磁区に関し、複雑化を避け、安定化させることは、大きくてノイズの少ない出力信号を得るために必要不可欠な要素となる。 However, when there is no interlayer coupling between the two ferromagnetic layers and only magnetostatic coupling exists, the magnetic structure of the ferromagnetic layer becomes unstable. In this case, the squareness ratio in the hysteresis curve or the magnetoresistive curve becomes small, and it becomes difficult to obtain a large magnetoresistive ratio.
Thus, regarding the magnetic domain of the storage layer, avoiding complication and stabilizing it is an indispensable element for obtaining a large and low noise output signal.

しかし、一般に、平行四辺形の記憶層においては、磁気構造が簡単になり、ほぼ単一磁区となる反面、保磁力及びスイッチング磁場が大きくなる。 However, in general, in the parallelogram storage layer, the magnetic structure is simplified, and the coercive force and the switching magnetic field are increased while the magnetic layer is almost a single magnetic domain.

また、記憶層の端部にエッジドメインを固定するためのハードバイアス構造を付加することにより磁化反転の際の挙動が制御できるが、この場合も、保磁力が増加する。また、エッジドメインを固定するためのハードバイアス構造の付加が必要になるため、大容量メモリなどに要求される高密度化には適さない。 Further, by adding a hard bias structure for fixing the edge domain to the end of the storage layer, the behavior at the time of magnetization reversal can be controlled, but in this case also the coercive force increases. Further, since it is necessary to add a hard bias structure for fixing the edge domain, it is not suitable for high density required for a large capacity memory or the like.

さらに、Ｈ型又はＩ型の記憶層においては、スイッチング時における強磁性層の磁気構造の複雑な変化を防ぐ、という効果を最大限に引き出すには、磁化容易軸方向に垂直な方向に突出した部分を大きくする必要がある。しかし、この場合、磁気抵抗効果素子のサイズが実質的に増加するため、大容量メモリなどに要求される高集積化には適さない。 Further, in the H-type or I-type storage layer, in order to maximize the effect of preventing a complicated change in the magnetic structure of the ferromagnetic layer at the time of switching, it protrudes in a direction perpendicular to the easy axis direction. It is necessary to enlarge the part. However, in this case, since the size of the magnetoresistive effect element is substantially increased, it is not suitable for high integration required for a large capacity memory or the like.

スイッチング磁場を低減することは、磁気メモリ、例えば、磁気ランダムアクセスメモリを実現するために必要不可欠な要素である。しかし、記憶層が微細になり、例えば、記憶層の短軸方向の幅が数ミクロンからサブミクロン程度になると、記憶層（磁化領域）の端部においては、反磁場の影響により、磁性体の中央部分の磁気的構造とは異なる磁気的構造（エッジドメイン）が生じる。 Reducing the switching magnetic field is an indispensable element for realizing a magnetic memory, for example, a magnetic random access memory. However, when the storage layer becomes finer, for example, when the width in the minor axis direction of the storage layer is about several microns to submicron, the end of the storage layer (magnetization region) is affected by the demagnetizing field, and the magnetic material A magnetic structure (edge domain) different from the magnetic structure of the central portion is generated.

磁気ランダムアクセスメモリにおけるデータ書き込み動作では、磁気トンネル接合を持つＭＴＪ素子のスイッチング曲線が重要である。 In the data write operation in the magnetic random access memory, the switching curve of the MTJ element having the magnetic tunnel junction is important.

ＭＴＪ素子は、互いに交差する２本の書き込み線の交差部に配置される。データ書き込みは、これら２本の書き込み線に流れる電流により発生する磁場によりＭＴＪ素子の磁化の向きを反転させることにより行う。２本の書き込み線のうちのいずれか１本に流れる電流により発生する磁場のみでは、ＭＴＪ素子に対するデータ書き込みは行われない。 The MTJ element is disposed at the intersection of two write lines that intersect each other. Data writing is performed by reversing the magnetization direction of the MTJ element by a magnetic field generated by currents flowing through these two write lines. Data writing to the MTJ element is not performed only with a magnetic field generated by a current flowing through one of the two write lines.

従って、スイッチング曲線は、ＭＴＪ素子の記憶層の磁化容易軸(easy axis)と磁化困難軸(hard axis)により形成される平面上において、スイッチング（磁化反転）に必要な磁化容易軸方向の磁場の大きさと磁化困難軸方向の磁場の大きさにより定義される。 Therefore, the switching curve shows the magnetic field in the easy axis direction necessary for switching (magnetization reversal) on the plane formed by the easy axis and hard axis of the memory layer of the MTJ element. It is defined by the magnitude and the magnitude of the magnetic field in the hard axis direction.

スイッチング曲線は、単磁区モデルでは、アステロイド曲線として表現されることが知られている。書き込み特性は、スイッチング曲線でほぼ決まるため、スイッチング曲線を変形させて、書き込みウインドウを大きく取ることや、２本の書き込み線のうちの１本に流れる電流により発生する磁場のみが印加される半選択状態のＭＴＪ素子の安定性を増すための試みが行われている。 It is known that the switching curve is expressed as an asteroid curve in the single domain model. Since the write characteristics are almost determined by the switching curve, the switching curve is deformed to increase the write window, or the half-selection in which only the magnetic field generated by the current flowing through one of the two write lines is applied. Attempts have been made to increase the stability of state MTJ elements.

そして、そのようなスイッチング曲線を実現するための方法として、ＭＴＪ素子の形状を変形させる、という提案がなされている。 As a method for realizing such a switching curve, a proposal has been made to change the shape of the MTJ element.

例えば、そらまめ型（Ｃ型）ＭＴＪ素子というものがある（例えば、特許文献５参照）。そらまめ型ＭＴＪ素子の特徴は、磁化困難軸方向の磁場が小さいときには、磁気構造（磁化パターン）がＣ型磁区を構成し、磁化困難軸方向の磁場が大きいときには、磁気構造がＳ型磁区を構成するという点にある。 For example, there is a so-called (C-type) MTJ element (see, for example, Patent Document 5). The feature of the uniform MTJ element is that when the magnetic field in the hard axis direction is small, the magnetic structure (magnetization pattern) forms a C-type magnetic domain, and when the magnetic field in the hard axis direction is large, the magnetic structure forms an S-type magnetic domain. It is in the point to do.

Ｃ型磁区を構成している場合、記憶層の磁化の向きは反転し難く、Ｓ型磁区を構成している場合、記憶層の磁化の向きは反転し易いため、半選択状態のＭＴＪ素子に対する誤書き込みを防止すると共に、書き込み時における保磁力を低下させ、スイッチング磁場を低下させることができる（Ｃ−Ｓスイッチング）。 When the C-type magnetic domain is configured, the magnetization direction of the storage layer is difficult to reverse. When the S-type magnetic domain is configured, the magnetization direction of the storage layer is easily reversed. In addition to preventing erroneous writing, it is possible to reduce the coercive force during writing and to reduce the switching magnetic field (CS switching).

また、磁化困難軸方向の磁場が小さいときの磁気構造がＣ型磁区を構成する形状としては、そらまめ型の他に、十字型が存在する。十字型ＭＴＪ素子は、磁化困難軸方向の磁場が小さいときの磁気構造が２つのＣ型磁区を構成する点に特徴を有する。十字型ＭＴＪ素子では、磁化容易軸又は磁化困難軸に対して４５°をなす方向のスイッチング磁場を低下させることができる。 Further, as a shape in which the magnetic structure when the magnetic field in the hard axis direction is small forms a C-type magnetic domain, there is a cross shape in addition to the flat shape. The cross-shaped MTJ element is characterized in that the magnetic structure when the magnetic field in the hard axis direction is small forms two C-type magnetic domains. In the cross-shaped MTJ element, the switching magnetic field in the direction of 45 ° with respect to the easy magnetization axis or the hard magnetization axis can be reduced.

しかし、いずれにしても、現状のそらまめ型若しくは十字型を有するＭＴＪ素子では、十分に満足できる書き込み特性を得ることができない。さらに、広い書き込みウインドウを持ち、かつ、半選択状態のＭＴＪ素子の状態を安定させることができる形状が要求されている。
特開平１１−２７３３３７号公報米国特許第５，７４８，５２４号米国特許第６，２０５，０５３号米国特許第５，９５３，２４８号特開２００３−７８１１２第24回日本応用磁気学会学術講演会12aB-3、12aB-7,第24回日本応用磁気学会学術講演概要集 p.26-27 However, in any case, a sufficiently satisfying write characteristic cannot be obtained with the current MTJ element having the uniform or cross shape. Furthermore, there is a demand for a shape having a wide writing window and capable of stabilizing the state of the half-selected MTJ element.
Japanese Patent Laid-Open No. 11-273337 US Pat. No. 5,748,524 US Pat. No. 6,205,053 US Pat. No. 5,953,248 JP 2003-78112 A 24th Annual Meeting of the Japan Society of Applied Magnetics 12aB-3, 12aB-7, 24th Annual Meeting of the Japan Society of Applied Magnetics p.26-27

本発明の目的は、微細化されても、安定な磁気構造を持ち、かつ、書き込み時には、半選択セルの誤書き込みを防止しつつ、スイッチング磁場を低減させることができる磁気抵抗効果素子を提案することにある。 An object of the present invention is to propose a magnetoresistive effect element that has a stable magnetic structure even when miniaturized, and can reduce a switching magnetic field while preventing erroneous writing of a half-selected cell during writing. There is.

本発明の例に関わる磁気抵抗効果素子は、第１及び第２強磁性層とこれらの間に配置される非磁性層とからなる積層構造を有し、前記第１及び第２強磁性層のうちの少なくとも１つは、第１方向に磁気異方性を有する第３強磁性層と、前記第３強磁性層上に積層され、前記第１方向及びこれと逆向きの第２方向とは異なる第３方向に磁気異方性を有する第４強磁性層とを備える。 A magnetoresistive effect element according to an example of the present invention has a laminated structure including first and second ferromagnetic layers and a nonmagnetic layer disposed between the first and second ferromagnetic layers. At least one of them is laminated on the third ferromagnetic layer having magnetic anisotropy in the first direction, and the first direction and the second direction opposite to the first direction. And a fourth ferromagnetic layer having magnetic anisotropy in a different third direction.

本発明の例に関わる磁気抵抗効果素子は、第１及び第２強磁性層とこれらの間に配置される非磁性層とからなる積層構造を有し、前記第１及び第２強磁性層のうちの少なくとも１つは、第１方向に磁気異方性を有する第１部分と、前記第１部分に物理的に結合され、前記第１方向及びこれと逆向きの第２方向とは異なる第３方向に磁気異方性を有する第２部分とを備える。 A magnetoresistive effect element according to an example of the present invention has a laminated structure including first and second ferromagnetic layers and a nonmagnetic layer disposed between the first and second ferromagnetic layers. At least one of the first portion having magnetic anisotropy in a first direction and a first portion physically coupled to the first portion and different from the first direction and a second direction opposite thereto. A second portion having magnetic anisotropy in three directions.

本発明の例によれば、微細化されても、安定な磁気構造を持ち、かつ、書き込み時には、半選択セルの誤書き込みを防止しつつ、スイッチング磁場を低減させることができる磁気抵抗効果素子を提供することができる。 According to an example of the present invention, there is provided a magnetoresistive effect element that has a stable magnetic structure even when miniaturized, and can reduce a switching magnetic field while preventing erroneous writing of a half-selected cell at the time of writing. Can be provided.

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

１．概要
本発明の例は、残留磁化がＣ型磁区を構成し、かつ、スイッチング（磁化反転）時には、記憶層（フリー層）の磁化パターンがＣ型磁区からＳ型磁区に変わる、といういわゆるＣ−Ｓスイッチングを行うのに適した構造を有する磁気抵抗効果素子に関する。 1. Overview
An example of the present invention is a so-called C-S in which the residual magnetization constitutes a C-type magnetic domain, and the magnetization pattern of the storage layer (free layer) changes from a C-type magnetic domain to an S-type magnetic domain during switching (magnetization reversal). The present invention relates to a magnetoresistive element having a structure suitable for switching.

Ｃ−Ｓスイッチングでは、磁化反転を行わない非選択及び半選択の磁気抵抗効果素子の記憶層の磁化パターンは、磁化反転に大きなスイッチング磁場を必要とするＣ型磁区を構成し、一方、磁化反転を行う選択された磁気抵抗効果素子の記憶層の磁化パターンは、Ｃ型磁区から、磁化反転を小さなスイッチング磁場で行うことができるＳ型磁区に変わるため、書き込みディスターブを改善でき、誤書き込みの防止、選択性の向上を実現できる。 In CS switching, the magnetization pattern of the memory layer of the non-selected and half-selected magnetoresistive effect element that does not perform magnetization reversal constitutes a C-type magnetic domain that requires a large switching magnetic field for magnetization reversal, while magnetization reversal Since the magnetization pattern of the memory layer of the selected magnetoresistive effect element to be changed from a C-type magnetic domain to an S-type magnetic domain in which magnetization reversal can be performed with a small switching magnetic field, write disturb can be improved and erroneous writing can be prevented. Improved selectivity can be realized.

このようなＣ−Ｓスイッチングを行うためには、具体的には、磁気抵抗効果素子の磁化容易軸(easy axis)方向の磁場と磁化困難軸(hard axis)方向の磁場の合成磁場により磁化反転を行う場合、磁化困難軸方向の磁場が零又は小さい領域において、記憶層の磁化パターンが複数のＣ型磁区を維持できる磁気抵抗効果素子の構造を提案すればよい。 In order to perform such C-S switching, specifically, magnetization reversal is performed by a combined magnetic field of a magnetic field in an easy axis direction and a hard axis direction of a magnetoresistive effect element. In this case, a magnetoresistive element structure can be proposed in which the magnetization pattern of the storage layer can maintain a plurality of C-type magnetic domains in a region where the magnetic field in the hard axis direction is zero or small.

そのような磁気抵抗効果素子の構造は、磁化容易軸方向に磁気異方性を有する一般的な磁気抵抗効果素子に対して、磁化困難軸方向に弱い磁気異方性を有する部分を結合させる構造とする。そのような構造としたのは、磁化困難軸方向の磁気異方性が磁気抵抗効果素子の端部の磁区の形成に影響を与えるからである。 The structure of such a magnetoresistive effect element is a structure in which a portion having weak magnetic anisotropy in the direction of hard magnetization is coupled to a general magnetoresistive effect element having magnetic anisotropy in the direction of easy magnetization And The reason for such a structure is that the magnetic anisotropy in the hard axis direction affects the formation of the magnetic domain at the end of the magnetoresistive element.

例えば、そらまめ型（Ｃ型）や十字型などの第１方向（磁化容易軸方向）に磁気異方性を有する磁気抵抗効果素子の強磁性層（第１部分）に対して、第１方向及びこれと逆向きの第２方向とは異なる第３方向に磁気異方性を有する強磁性層（第２部分）を結合させる。 For example, the first direction and the ferromagnetic layer (first portion) of the magnetoresistive effect element having magnetic anisotropy in the first direction (magnetization axis direction) such as a flat shape (C type) and a cross shape A ferromagnetic layer (second portion) having magnetic anisotropy is coupled in a third direction different from the second direction opposite to this.

結合の仕方としては、第１及び第２部分を同一面内で結合させてもよいし、また、第１及び第２部分を積み重ねて結合させてもよい。積み重ねる場合には、第１部分と第２部分は、同じ形状とし、さらに、両者の間に強磁性結合又は反強磁性結合が生じるように、両者を直接結合させるか、若しくは、両者の間に非磁性層を配置させる。積み重ねる強磁性層の数は、２つ以上とする。 As a method of coupling, the first and second parts may be coupled in the same plane, or the first and second parts may be stacked and coupled. In the case of stacking, the first part and the second part have the same shape and are either directly coupled so that a ferromagnetic coupling or an antiferromagnetic coupling occurs between them, or between them. A nonmagnetic layer is disposed. The number of ferromagnetic layers to be stacked is two or more.

尚、第１及び第２部分の間に非磁性層を配置する場合には、両者の間には、強磁性結合又は反強磁性結合に加えて層間結合が発生する。層間結合の発生は、第１及び第２部分の磁化の向きを異ならせるに当たって都合がよい。 When a nonmagnetic layer is disposed between the first and second portions, interlayer coupling occurs between them in addition to ferromagnetic coupling or antiferromagnetic coupling. The generation of interlayer coupling is convenient for making the magnetization directions of the first and second portions different.

また、第３方向が、第１又は第２方向に対して、３０°以上、９０°以下の範囲内の角度の方向、例えば、第１及び第２方向に対して９０°の方向を向いていると、より複数のＣ型磁区を作り易くなる。 Further, the third direction is directed to an angle direction within a range of 30 ° or more and 90 ° or less with respect to the first or second direction, for example, a direction of 90 ° with respect to the first and second directions. This makes it easier to make a plurality of C-type magnetic domains.

磁気抵抗効果素子の記憶層の厚さは、０．１ｎｍ以上、５０ｎｍ以下の範囲の値に設定されるのがよい。 The thickness of the memory layer of the magnetoresistive element is preferably set to a value in the range of 0.1 nm to 50 nm.

このように、本発明の例に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層は、残留磁化、及び、磁化反転を行わない場合の磁化パターンが、それぞれ、複数のＣ型磁区を構成できる構造を有する。従って、Ｃ−Ｓスイッチングにより、書き込みディスターブを改善でき、誤書き込みの防止、選択性の向上を実現できる。 As described above, the storage layer of the magnetoresistive effect element according to the example of the present invention has a structure in which the residual magnetization and the magnetization pattern when the magnetization reversal is not performed can constitute a plurality of C-type magnetic domains, respectively. Therefore, write disturb can be improved by CS switching, and erroneous writing can be prevented and selectivity can be improved.

また、記憶層が複数の強磁性層の積層構造から構成されることにより、広い書き込みウインドウ、即ち、磁化反転を行う選択された磁気抵抗効果素子の反転磁場の値と、磁化反転を行わない非選択の磁気抵抗効果素子の反転磁場の値との差を大きくすることができる。 Further, since the storage layer is composed of a laminated structure of a plurality of ferromagnetic layers, a wide write window, that is, the value of the reversal magnetic field of the selected magnetoresistive effect element that performs magnetization reversal, and non-magnetization reversal are not performed. The difference from the value of the reversal magnetic field of the selected magnetoresistive effect element can be increased.

即ち、複数の強磁性層を互いに強磁性結合又は反強磁性結合させることにより、単磁区モデルでは、図２４に示すような磁化困難軸方向に長く伸びたアステロイド曲線を得ることができるため、かかる構造とＣ−Ｓスイッチングとを組み合わせることにより、広い書き込みウインドウを実現できる。 That is, by connecting a plurality of ferromagnetic layers to each other ferromagnetically or antiferromagnetically, in the single magnetic domain model, it is possible to obtain an asteroid curve extending long in the hard axis direction as shown in FIG. By combining this structure with CS switching, a wide writing window can be realized.

２．実施の形態
以下、本発明の例を実施するに当たって最適と思われる複数の実施の形態について説明する。 2. Embodiment
Hereinafter, a plurality of embodiments that are considered to be optimal in carrying out the examples of the present invention will be described.

本発明の例の対象となる磁気メモリ素子は、磁気抵抗(Magneto Resistive)効果を有する磁気抵抗効果素子、例えば、トンネル磁気抵抗効果を有するＭＴＪ(Magneto Tunnel Junction)素子である。そこで、まず、ＭＴＪ素子の基本構造について説明する。 A magnetic memory element that is an object of an example of the present invention is a magnetoresistive effect element having a magnetoresistive effect, for example, an MTJ (Magneto Tunnel Junction) element having a tunnel magnetoresistive effect. First, the basic structure of the MTJ element will be described.

ＭＴＪ素子の磁気トンネル接合は、図１に示すように、２つの強磁性層１ａ，１ｂと、これらの間に挟み込まれた薄い絶縁層（非磁性層）２とから構成される。強磁性層のうちの一つは、反強磁性層３により磁化パターン（磁化の向き）が固定された基準層（ピン層）１ａであり、他の一つは、データに応じて磁化パターン（磁化の向き）が変わる記憶層（フリー層）１ｂである。基準層１ａと記憶層１ｂの間に配置された絶縁層２は、トンネルバリアと呼ばれる。 As shown in FIG. 1, the magnetic tunnel junction of the MTJ element includes two ferromagnetic layers 1a and 1b and a thin insulating layer (nonmagnetic layer) 2 sandwiched between them. One of the ferromagnetic layers is a reference layer (pinned layer) 1a in which the magnetization pattern (magnetization direction) is fixed by the antiferromagnetic layer 3, and the other one is a magnetization pattern ( This is a storage layer (free layer) 1b whose magnetization direction is changed. The insulating layer 2 disposed between the reference layer 1a and the storage layer 1b is called a tunnel barrier.

通常、強磁性層１ａ，１ｂは、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、これら金属の合金や、ＣｏＦｅＢのようなアモルファス磁性体などから構成される。強磁性層１ａ，１ｂの各層は、スパッタ法やＭＢＥ法などにより形成され、その厚さは、０．１ｎｍ以上、５０ｎｍ以下の範囲の値に設定される。また、絶縁層２は、例えば、ＡｌＯｘ、ＭｇＯなどの酸化物から構成される。絶縁層２の厚さは、１０ｎｍ以下に設定される。絶縁層２の厚さは、できるだけ薄いほうがよく、近年では、絶縁層２は、２ｎｍ以下、より好ましくは、１ｎｍ以下に設定される。 Usually, the ferromagnetic layers 1a and 1b are made of Ni, Fe, Co, an alloy of these metals, an amorphous magnetic material such as CoFeB, or the like. Each of the ferromagnetic layers 1a and 1b is formed by a sputtering method, an MBE method, or the like, and its thickness is set to a value in the range of 0.1 nm or more and 50 nm or less. The insulating layer 2 is made of an oxide such as AlOx or MgO, for example. The thickness of the insulating layer 2 is set to 10 nm or less. The thickness of the insulating layer 2 is preferably as thin as possible. In recent years, the insulating layer 2 is set to 2 nm or less, more preferably 1 nm or less.

本発明の例は、上記概要の欄で説明したように、磁気抵抗効果素子の構造に関するものであるが、具体的には、磁気抵抗効果素子の記憶層（フリー層）の構造に関する。即ち、本発明の例では、磁気抵抗効果素子の記憶層は、磁化の向きが第１方向（磁化容易軸方向）となる第１部分と、この第１部分に結合され、磁化の向きが第１方向及びこれと逆向きの第２方向とは異なる第３方向となる第２部分とから構成される。 The example of the present invention relates to the structure of the magnetoresistive effect element as described in the section of the above summary, and specifically relates to the structure of the storage layer (free layer) of the magnetoresistive effect element. That is, in the example of the present invention, the memory layer of the magnetoresistive effect element is coupled to the first portion whose magnetization direction is the first direction (the easy axis direction), and the magnetization direction is the first direction. It is comprised from the 1st direction and the 2nd part used as the 3rd direction different from the 2nd direction opposite to this.

従って、以下の複数の実施の形態では、磁気抵抗効果素子の記憶層のみを取り出して、その記憶層の構造について説明する。 Therefore, in the following embodiments, only the memory layer of the magnetoresistive effect element is taken out and the structure of the memory layer will be described.

(1) 第１実施の形態
図２は、本発明の第１実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層を示している。 (1) First embodiment
FIG. 2 shows a memory layer of the magnetoresistive effect element according to the first embodiment of the present invention.

本例では、磁気抵抗効果素子の記憶層は、２つの文字Ｃを結合させた概形を有する。ここで、記憶層は、矢印で示すように、磁化容易軸方向に磁気異方性を有する第１部分と、磁化困難軸方向に磁気異方性を有する第２部分とから構成される（矢印の向きが磁気異方性を表すものとする。以下、全ての実施の形態において同じ。）。 In this example, the memory layer of the magnetoresistive element has a general shape in which two letters C are combined. Here, as shown by the arrows, the storage layer includes a first portion having magnetic anisotropy in the easy axis direction and a second portion having magnetic anisotropy in the hard axis direction (arrows). ) Represents magnetic anisotropy, and the same applies to all embodiments below).

尚、記憶層の磁気異方性については、記憶層としての強磁性層を堆積するときに、堆積時の諸条件を設定することで容易に調整することができる。 The magnetic anisotropy of the storage layer can be easily adjusted by setting various conditions at the time of deposition when depositing the ferromagnetic layer as the storage layer.

また、磁化容易軸方向の磁気異方性が磁化容易軸に平行であるとすると、磁化困難軸方向の磁気異方性は、磁化容易軸方向に対して、３０°以上、９０°以下の範囲内の角度の方向に設定される。 If the magnetic anisotropy in the easy axis direction is parallel to the easy axis, the magnetic anisotropy in the hard axis direction is in the range of 30 ° or more and 90 ° or less with respect to the easy axis direction. Set to the direction of the angle inside.

この場合、磁化困難軸方向の磁場が零又は小さい領域において、記憶層の磁化パターンは、第１部分においては、磁化容易軸方向を向き、第２部分においては、磁化困難軸方向（磁化容易軸方向に対して、３０°以上、９０°以下の範囲内の角度方向）を向くことになる。 In this case, in the region where the magnetic field in the hard axis direction is zero or small, the magnetization pattern of the storage layer faces the easy axis direction in the first part, and the hard axis direction (easy axis in the second part). The angle direction is within the range of 30 ° or more and 90 ° or less with respect to the direction.

従って、磁化反転を行わない半選択及び非選択状態の磁気抵抗効果素子の記憶層の磁化パターンは、複数のＣ型磁区から構成されることになるため、反転磁場が大きく、誤書き込みを有効に防止できる。 Therefore, since the magnetization pattern of the memory layer of the magnetoresistive effect element in the half-selected and non-selected states that does not perform magnetization reversal is composed of a plurality of C-type magnetic domains, the reversal magnetic field is large and erroneous writing is effectively performed. Can be prevented.

一方、磁化反転を行う選択状態の磁気抵抗効果素子の記憶層の磁化パターンは、磁化容易軸方向の磁場と磁化困難軸方向の磁場の合成磁場により、Ｃ型磁区からＳ型磁区に変化するため、反転磁場が小さくなる。このため、小さなスイッチング磁場で磁化反転を行うことができる。 On the other hand, the magnetization pattern of the memory layer of the magnetoresistive effect element in the selected state that performs magnetization reversal changes from the C-type magnetic domain to the S-type magnetic domain by the combined magnetic field of the magnetic field in the easy axis direction and the hard axis direction. , The reversal magnetic field becomes smaller. For this reason, magnetization reversal can be performed with a small switching magnetic field.

また、書き込み後の残留磁化は、複数のＣ型磁区から構成されるため、微細化されても、安定した磁気構造を確保できる。 In addition, since the residual magnetization after writing is composed of a plurality of C-type magnetic domains, a stable magnetic structure can be ensured even if miniaturized.

図３は、図２の記憶層を有する磁気抵抗効果素子のスイッチング曲線を示している。また、図４は、単磁区モデルで得られるスイッチング曲線（アステロイド曲線）を示している。 FIG. 3 shows a switching curve of the magnetoresistive effect element having the storage layer of FIG. FIG. 4 shows a switching curve (asteroid curve) obtained by the single magnetic domain model.

図３と図４を比べると、図２の記憶層を有する磁気抵抗効果素子のスイッチング曲線は、磁化容易軸方向の磁場と磁化困難軸方向の磁場の双方が存在する領域において、単磁区モデルで得られるスイッチング曲線よりも窪んでいる。この窪みが大きいということは、スイッチング磁場（反転磁場）が小さいことを意味する。 3 and FIG. 4, the switching curve of the magnetoresistive effect element having the storage layer of FIG. 2 is a single domain model in a region where both a magnetic field in the easy magnetization axis direction and a magnetic field in the hard magnetization axis direction exist. It is recessed from the resulting switching curve. That this dent is large means that a switching magnetic field (reversal magnetic field) is small.

従って、図２の記憶層を有する磁気抵抗効果素子によれば、磁化困難軸方向の磁場が零又は小さい領域（非選択又は半選択の場合）において、反転磁場を大きくして誤書き込みを防止することができると共に、磁化容易軸方向の磁場と磁化困難軸方向の磁場の双方が存在する領域（選択の場合）において、反転磁場を小さくして、書き込み電流の低下による低消費電流化を図ることができる。 Therefore, according to the magnetoresistive effect element having the storage layer of FIG. 2, in the region where the magnetic field in the hard axis direction is zero or small (in the case of non-selection or half-selection), the reverse magnetic field is increased to prevent erroneous writing. In addition, in a region where both a magnetic field in the easy axis direction and a magnetic field in the hard axis direction exist (in the case of selection), the reversal field is reduced to reduce the current consumption by reducing the write current. Can do.

尚、この窪みの大きさは、記憶層の厚さにも依存する。 Note that the size of the depression also depends on the thickness of the storage layer.

スイッチング曲線の窪み自体は、記憶層の厚さを５０ｎｍ以下に設定することにより形成できる。但し、近年におけるメモリ素子の高集積化や低消費電流化を考慮すると、スイッチング曲線の窪みを考慮した記憶層の厚さは、２ｎｍ以上、２０ｎｍ以下の範囲内の値、さらには、４ｎｍ以上、１４ｎｍ以下の範囲内の値に設定することが好ましい。 The depression of the switching curve itself can be formed by setting the thickness of the memory layer to 50 nm or less. However, considering the recent high integration and low current consumption of memory elements, the thickness of the memory layer considering the depression of the switching curve is a value within the range of 2 nm or more and 20 nm or less, and further 4 nm or more, It is preferable to set the value within a range of 14 nm or less.

記憶層の平面形状の縦横比については、縦（磁化困難軸方向）：横（磁化容易軸方向）が１：１から１：１０までの範囲内の値となるように設定するのが好ましい。実際には、メモリ素子の高集積化などの観点から、１：２から１：４までの範囲内の値（本例では、概ね、１：２）に設定される。 The aspect ratio of the planar shape of the storage layer is preferably set so that longitudinal (hard magnetization axis direction): horizontal (easy magnetization axis direction) is a value within a range from 1: 1 to 1:10. Actually, the value is set to a value within a range from 1: 2 to 1: 4 (in this example, approximately 1: 2) from the viewpoint of high integration of memory elements.

(2) 第２実施の形態
図５は、本発明の第２実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層を示している。 (2) Second embodiment
FIG. 5 shows a memory layer of the magnetoresistive effect element according to the second embodiment of the present invention.

本例では、磁気抵抗効果素子の記憶層は、２つの文字Ｃを背中合わせに結合させた概形を有する。ここでも、記憶層は、矢印で示すように、磁化容易軸方向に磁気異方性を有する第１部分と、磁化困難軸方向に磁気異方性を有する第２部分とから構成される。 In this example, the memory layer of the magnetoresistive element has a general shape in which two letters C are coupled back to back. In this case as well, the storage layer is composed of a first portion having magnetic anisotropy in the easy axis direction and a second portion having magnetic anisotropy in the hard axis direction, as indicated by arrows.

従って、磁化困難軸方向の磁場が零又は小さい領域において、記憶層の磁化パターンは、第１部分においては、磁化容易軸方向を向き、第２部分においては、磁化困難軸方向（磁化容易軸方向に対して、３０°以上、９０°以下の範囲内の角度方向）を向く。 Therefore, in the region where the magnetic field in the hard axis direction is zero or small, the magnetization pattern of the storage layer faces the easy axis direction in the first part and the hard axis direction (easy axis direction in the second part. With respect to the angle direction within a range of 30 ° or more and 90 ° or less.

本例においても、磁化反転を行わない非選択及び半選択状態の磁気抵抗効果素子の記憶層の磁化パターンは、複数のＣ型磁区から構成されるため、反転磁場が大きく、誤書き込みを有効に防止できる。 Also in this example, the magnetization pattern of the memory layer of the non-selected and half-selected magnetoresistive effect element that does not perform magnetization reversal is composed of a plurality of C-type magnetic domains, so the reversal magnetic field is large and erroneous writing is effectively performed. Can be prevented.

図６は、図５の記憶層を有する磁気抵抗効果素子のスイッチング曲線を示している。 FIG. 6 shows a switching curve of the magnetoresistive element having the storage layer of FIG.

このスイッチング曲線は、図３のスイッチング曲線とほぼ同じとなる。即ち、磁化容易軸方向の磁場と磁化困難軸方向の磁場の双方が存在する領域において、図６のスイッチング曲線の窪みは、図４に示す単磁区モデルで得られるスイッチング曲線のそれよりも大きい。 This switching curve is substantially the same as the switching curve of FIG. That is, in a region where both a magnetic field in the easy axis direction and a magnetic field in the hard axis direction exist, the depression of the switching curve in FIG. 6 is larger than that in the switching curve obtained by the single domain model shown in FIG.

従って、図５の記憶層を有する磁気抵抗効果素子によれば、磁化困難軸方向の磁場が零又は小さい領域（非選択又は半選択の場合）において、反転磁場を大きくして誤書き込みを防止することができると共に、磁化容易軸方向の磁場と磁化困難軸方向の磁場の双方が存在する領域（選択の場合）において、反転磁場を小さくして、書き込み電流の低下による低消費電流化を図ることができる。 Therefore, according to the magnetoresistive effect element having the storage layer of FIG. 5, in the region where the magnetic field in the hard axis direction is zero or small (in the case of non-selection or half-selection), the reverse magnetic field is increased to prevent erroneous writing. In addition, in a region where both a magnetic field in the easy axis direction and a magnetic field in the hard axis direction exist (in the case of selection), the reversal field is reduced to reduce the current consumption by reducing the write current. Can do.

尚、スイッチング曲線の窪みの大きさが記憶層の厚さに依存することは、第１実施の形態と同じである。即ち、スイッチング曲線の窪み自体は、記憶層の厚さを５０ｎｍ以下に設定することにより形成できるが、実際の記憶層の厚さは、２ｎｍ以上、２０ｎｍ以下の範囲内の値、さらには、４ｎｍ以上、１４ｎｍ以下の範囲内の値に設定される。 Note that the size of the depression of the switching curve depends on the thickness of the memory layer, as in the first embodiment. That is, the depression of the switching curve itself can be formed by setting the thickness of the memory layer to 50 nm or less, but the actual thickness of the memory layer is a value within the range of 2 nm or more and 20 nm or less, and further 4 nm As described above, the value is set within a range of 14 nm or less.

記憶層の平面形状の縦横比についても、第１実施の形態と同様に、縦（磁化困難軸方向）：横（磁化容易軸方向）が１：１から１：１０までの範囲内の値となるように設定される。実際には、１：２から１：４までの範囲内の値（本例では、概ね、１：２）に設定される。 As for the aspect ratio of the planar shape of the storage layer, as in the first embodiment, the longitudinal (hard magnetization axis direction): lateral (easy magnetization axis direction) is a value within the range from 1: 1 to 1:10. Is set to be Actually, it is set to a value within a range from 1: 2 to 1: 4 (in this example, approximately 1: 2).

(3) 第３実施の形態
図７は、本発明の第３実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層を示している。 (3) Third embodiment
FIG. 7 shows a memory layer of a magnetoresistive effect element according to the third embodiment of the present invention.

本例でも、磁気抵抗効果素子の記憶層は、２つの文字Ｃを背中合わせに結合させた概形を有する。具体的には、本例の記憶層は、２つの平行四辺形を交差させた概形を有する。 Also in this example, the memory layer of the magnetoresistive effect element has a general shape in which two letters C are coupled back to back. Specifically, the storage layer of this example has a general shape in which two parallelograms are crossed.

記憶層が２つの平行四辺形を交差させた概形を有するため、記憶層の先端部の形状は、四角ではなく、斜めに切り落とされたテーパ状となる。 Since the storage layer has a general shape in which two parallelograms are crossed, the shape of the tip of the storage layer is not a square but a tapered shape that is cut off obliquely.

尚、記憶層の先端部（鋭角部）の角度は、２０°以上、９０°未満の範囲内の値に設定される。 Note that the angle of the front end portion (acute angle portion) of the memory layer is set to a value within the range of 20 ° or more and less than 90 °.

ここで、記憶層の先端部の角度とは、記憶層を加工する際に用いるマスクの対応部分における角度を意味する。実際に形成される記憶層に関しては、フォトリソグラフィの精度や、加工精度などに依存して、先端部は、鋭角ではなく、ある曲率をもって丸くなる。 Here, the angle of the tip of the storage layer means the angle at the corresponding portion of the mask used when processing the storage layer. Regarding the memory layer actually formed, the tip is rounded with a certain curvature, not an acute angle, depending on the accuracy of photolithography, processing accuracy, and the like.

実際に形成された記憶層の形状からこの角度を判断するには、例えば、記憶層の辺となる概ね直線部分をまっすぐ引き伸ばし、直線が交差する部分の交差角度を記憶層の先端部の角度とする。 In order to determine this angle from the shape of the actually formed storage layer, for example, the straight line portion that is the side of the storage layer is stretched straight, and the intersection angle of the portion where the straight line intersects is the angle of the tip of the storage layer. To do.

このような場合においても、磁気抵抗効果素子の記憶層は、矢印で示すように、第１方向（例えば、磁化容易軸方向）に磁気異方性を有する第１部分と、第１方向及びこれと逆向きの第２方向とは異なる第３方向（例えば、磁化困難軸方向）に磁気異方性を有する第２部分とから構成される。 Even in such a case, the storage layer of the magnetoresistive effect element includes the first portion having the magnetic anisotropy in the first direction (for example, the easy axis direction of magnetization), the first direction and the first direction, as indicated by arrows. And a second portion having magnetic anisotropy in a third direction (for example, a hard axis direction) different from the second direction opposite to the first direction.

本例では、磁気抵抗効果素子の記憶層の平面形状は、中心点に対して対称的となるが、例えば、図８及び図９に示すように、中心点に対して非対称となるような形状とし、２つのＣ型磁区を形成し易くしてもよい。 In this example, the planar shape of the memory layer of the magnetoresistive element is symmetric with respect to the center point, but for example, a shape that is asymmetric with respect to the center point as shown in FIGS. And two C-shaped magnetic domains may be easily formed.

また、図１０に示すように、１つの平行四辺形と１つの四角形とを交差させたような概形としてもよい。図１０の形状を実際にＭＴＪ素子に適用すると、例えば、図１１及び図１２に示すような概形となる。 Moreover, as shown in FIG. 10, it is good also as a rough shape which crossed one parallelogram and one square. When the shape shown in FIG. 10 is actually applied to an MTJ element, for example, a rough shape as shown in FIGS. 11 and 12 is obtained.

図７乃至図１２の平面形状を有する磁気抵抗効果素子においても、磁化困難軸方向の磁場が零又は小さい領域（非選択又は半選択の場合）において、反転磁場を大きくして誤書き込みを防止することができると共に、磁化容易軸方向の磁場と磁化困難軸方向の磁場の双方が存在する領域（選択の場合）において、反転磁場を小さくして、書き込み電流の低下による低消費電流化を図ることができる。 Also in the magnetoresistive effect element having the planar shape shown in FIGS. 7 to 12, in the region where the magnetic field in the hard axis direction is zero or small (in the case of non-selection or half-selection), the reverse magnetic field is increased to prevent erroneous writing. In addition, in a region where both a magnetic field in the easy axis direction and a magnetic field in the hard axis direction exist (in the case of selection), the reversal field is reduced to reduce the current consumption by reducing the write current. Can do.

尚、記憶層の厚さと縦横比については、第１実施の形態と同じなので、ここでは、その説明については省略する。 Note that the thickness and aspect ratio of the storage layer are the same as those in the first embodiment, and therefore the description thereof is omitted here.

(4) 第４実施の形態
図１３は、本発明の第４実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層を示している。 (4) Fourth embodiment
FIG. 13 shows the memory layer of the magnetoresistive effect element according to the fourth embodiment of the present invention.

本例では、磁気抵抗効果素子の記憶層は、３つの文字Ｃを結合させた概形を有する。ここでも、記憶層は、矢印で示すように、磁化容易軸方向に磁気異方性を有する第１部分と、磁化困難軸方向に磁気異方性を有する第２部分とから構成される。 In this example, the memory layer of the magnetoresistive effect element has a general shape in which three letters C are combined. In this case as well, the storage layer is composed of a first portion having magnetic anisotropy in the easy axis direction and a second portion having magnetic anisotropy in the hard axis direction, as indicated by arrows.

従って、磁気抵抗効果素子の記憶層の残留磁化及び磁化困難軸方向の磁場が零又は小さい領域（非選択又は半選択の場合）における磁化パターンは、それぞれ３つのＣ型磁区から構成される。 Accordingly, the magnetization pattern in the region where the residual magnetization of the memory layer of the magnetoresistive effect element and the magnetic field in the hard axis direction are zero or small (in the case of non-selection or half-selection) is composed of three C-type magnetic domains.

尚、磁気抵抗効果素子の記憶層は、３つを超える数の文字Ｃを結合させた概形となるように形成してもよい。 Note that the memory layer of the magnetoresistive effect element may be formed to have a general shape in which more than three letters C are combined.

図１４は、図１３の記憶層を有する磁気抵抗効果素子のスイッチング曲線を示している。 FIG. 14 shows a switching curve of the magnetoresistive element having the storage layer of FIG.

図１３の記憶層を有する磁気抵抗効果素子においても、磁化困難軸方向の磁場が零又は小さい領域（非選択又は半選択の場合）において、反転磁場を大きくして誤書き込みを防止することができると共に、磁化容易軸方向の磁場と磁化困難軸方向の磁場の双方が存在する領域（選択の場合）において、反転磁場を小さくして、書き込み電流の低下による低消費電流化を図ることができる。 Also in the magnetoresistive effect element having the memory layer of FIG. 13, in the region where the magnetic field in the hard axis direction is zero or small (in the case of non-selection or half-selection), the reverse magnetic field can be increased to prevent erroneous writing. At the same time, in the region where both the magnetic field in the easy axis direction and the magnetic field in the hard axis direction are present (in the case of selection), the inversion magnetic field can be reduced to reduce the current consumption by reducing the write current.

(5) 第５実施の形態
図１５は、本発明の第５実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層を示している。 (5) Fifth embodiment
FIG. 15 shows the memory layer of the magnetoresistive effect element according to the fifth embodiment of the present invention.

本例では、磁気抵抗効果素子の記憶層は、３つの文字Ｃを結合させた概形を有する。具体的には、記憶層は、特定の１つの文字Ｃと、この特定の１つの文字Ｃに対して、同じ方向を向く文字Ｃと異なる方向を向く文字Ｃとを組み合わせた概形を有する。ここでも、記憶層は、矢印で示すように、磁化容易軸方向に磁気異方性を有する第１部分と、磁化困難軸方向に磁気異方性を有する第２部分とから構成される。 In this example, the memory layer of the magnetoresistive effect element has a general shape in which three letters C are combined. Specifically, the memory layer has a general shape in which a specific character C and a character C facing the same direction and a character C facing a different direction are combined with respect to the specific character C. In this case as well, the storage layer is composed of a first portion having magnetic anisotropy in the easy axis direction and a second portion having magnetic anisotropy in the hard axis direction, as indicated by arrows.

図１５の平面形状を有する磁気抵抗効果素子においても、磁化困難軸方向の磁場が零又は小さい領域（非選択又は半選択の場合）において、反転磁場を大きくして誤書き込みを防止することができると共に、磁化容易軸方向の磁場と磁化困難軸方向の磁場の双方が存在する領域（選択の場合）において、反転磁場を小さくして、書き込み電流の低下による低消費電流化を図ることができる。 Also in the magnetoresistive effect element having the planar shape of FIG. 15, erroneous writing can be prevented by increasing the reversal magnetic field in a region where the magnetic field in the hard axis direction is zero or small (in the case of non-selection or half-selection). At the same time, in the region where both the magnetic field in the easy axis direction and the magnetic field in the hard axis direction are present (in the case of selection), the inversion magnetic field can be reduced to reduce the current consumption by reducing the write current.

(6) 第６実施の形態
図１６は、本発明の第６実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層の平面形状を示している。 (6) Sixth embodiment
FIG. 16 shows the planar shape of the memory layer of the magnetoresistive effect element according to the sixth embodiment of the present invention.

本例では、磁気抵抗効果素子の記憶層は、４つの文字Ｃを結合させた概形を有する。具体的には、記憶層は、特定の１つの文字Ｃと、この特定の１つの文字Ｃに対して、同じ方向を向く文字Ｃと異なる方向を向く文字Ｃとを組み合わせた概形を有する。ここでも、記憶層は、矢印で示すように、磁化容易軸方向に磁気異方性を有する第１部分と、磁化困難軸方向に磁気異方性を有する第２部分とから構成される。 In this example, the memory layer of the magnetoresistive effect element has a general shape in which four letters C are combined. Specifically, the memory layer has a general shape in which a specific character C and a character C facing the same direction and a character C facing a different direction are combined with respect to the specific character C. In this case as well, the storage layer is composed of a first portion having magnetic anisotropy in the easy axis direction and a second portion having magnetic anisotropy in the hard axis direction, as indicated by arrows.

従って、磁気抵抗効果素子の記憶層の残留磁化及び磁化困難軸方向の磁場が零又は小さい領域（非選択又は半選択の場合）における磁化パターンは、それぞれ４つのＣ型磁区から構成される。 Therefore, the magnetization pattern in the region where the residual magnetization of the memory layer of the magnetoresistive element and the magnetic field in the hard axis direction are zero or small (in the case of non-selection or half-selection) is composed of four C-type magnetic domains.

図１６の平面形状を有する磁気抵抗効果素子においても、磁化困難軸方向の磁場が零又は小さい領域（非選択又は半選択の場合）において、反転磁場を大きくして誤書き込みを防止することができると共に、磁化容易軸方向の磁場と磁化困難軸方向の磁場の双方が存在する領域（選択の場合）において、反転磁場を小さくして、書き込み電流の低下による低消費電流化を図ることができる。 Also in the magnetoresistive effect element having the planar shape of FIG. 16, in the region where the magnetic field in the hard axis direction is zero or small (in the case of non-selection or half-selection), the reverse magnetic field can be increased to prevent erroneous writing. At the same time, in the region where both the magnetic field in the easy axis direction and the magnetic field in the hard axis direction are present (in the case of selection), the inversion magnetic field can be reduced to reduce the current consumption by reducing the write current.

(7) 第７実施の形態
本実施の形態は、例えば、上述の第１乃至第６実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層を、２つ以上の異なる強磁性層の積層構造から構成する例に関する。例えば、図１７に示すように、磁気抵抗効果素子の記憶層となる強磁性層は、２種類の強磁性層１ｂ，１ｃから構成される。 (7) Seventh embodiment
The present embodiment relates to an example in which the memory layer of the magnetoresistive effect element according to the first to sixth embodiments described above is configured from a laminated structure of two or more different ferromagnetic layers. For example, as shown in FIG. 17, the ferromagnetic layer serving as the memory layer of the magnetoresistive effect element is composed of two types of ferromagnetic layers 1b and 1c.

磁気抵抗効果素子の記憶層を、このような２種類の強磁性層１ｂ，１ｃから構成すると、図２４に示すように、磁気抵抗効果素子のスイッチング曲線が磁化困難軸方向に大きく伸びる。 When the memory layer of the magnetoresistive effect element is composed of such two types of ferromagnetic layers 1b and 1c, the switching curve of the magnetoresistive effect element greatly extends in the hard axis direction as shown in FIG.

このようなスイッチング曲線では、いわゆる半選択状態のメモリ素子の磁化状態を安定化させることができ、誤書き込みを有効に防止できる。また、この場合、スイッチング曲線が磁化困難軸から十分に離れているため、ネール結合や基準層からの漏れ磁場などによるスイッチング曲線のシフトの影響が小さくなり、スイッチング曲線のばらつきに強くなる。 With such a switching curve, the magnetization state of the so-called half-selected memory element can be stabilized, and erroneous writing can be effectively prevented. Further, in this case, since the switching curve is sufficiently away from the hard axis, the influence of the shift of the switching curve due to the Neel coupling or the leakage magnetic field from the reference layer is reduced, and the switching curve is strongly affected.

尚、ここで言う「２種類」とは、「異なる磁気特性」を意味し、異なる磁気特性は、例えば、強磁性層の膜厚、成膜条件、材料、構造（ソフト層、ハード層）などにより実現できる。 The “two types” mentioned here mean “different magnetic characteristics”, and the different magnetic characteristics include, for example, the thickness of the ferromagnetic layer, film forming conditions, material, structure (soft layer, hard layer), etc. Can be realized.

図１８は、第７実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層の構造例１を示している。 FIG. 18 shows Structural Example 1 of the memory layer of the magnetoresistive effect element according to the seventh embodiment.

本例は、図２の磁気抵抗効果素子の記憶層を、２種類の強磁性層１ｂ，１ｃから構成した点に特徴を有する。 This example is characterized in that the memory layer of the magnetoresistive effect element in FIG. 2 is composed of two types of ferromagnetic layers 1b and 1c.

強磁性層１ｂ，１ｃは、磁化容易軸方向に磁気異方性を有する第１部分と、磁化困難軸方向に磁気異方性を有する第２部分とから構成される。また、強磁性層１ｂ，１ｃは、強磁性結合又は反強磁性結合させる。 The ferromagnetic layers 1b and 1c are composed of a first portion having magnetic anisotropy in the easy axis direction and a second portion having magnetic anisotropy in the hard axis direction. Further, the ferromagnetic layers 1b and 1c are ferromagnetically coupled or antiferromagnetically coupled.

尚、強磁性層１ｂ，１ｃの磁化状態については、同じ向きになっていてもよいし、また、互いに逆向きになっていてもよい。 The magnetization states of the ferromagnetic layers 1b and 1c may be in the same direction or in opposite directions.

図１９は、第７実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層の構造例２を示している。 FIG. 19 shows Structural Example 2 of the memory layer of the magnetoresistive effect element according to the seventh embodiment.

本例は、十字型磁気抵抗効果素子の記憶層を、２種類の強磁性層１ｂ，１ｃから構成した点に特徴を有する。 This example is characterized in that the memory layer of the cross-shaped magnetoresistive effect element is composed of two types of ferromagnetic layers 1b and 1c.

また、本例は、強磁性層１ｂ，１ｃが、２つの文字Ｃを結合した概形を有する点に特徴を有するものであり、その一例として、十字型を示している。尚、強磁性層１ｂ，１ｃは、強磁性結合又は反強磁性結合させる。 In addition, this example is characterized in that the ferromagnetic layers 1b and 1c have a rough shape in which two letters C are combined, and a cross shape is shown as an example. The ferromagnetic layers 1b and 1c are ferromagnetically coupled or antiferromagnetically coupled.

強磁性層１ｂは、矢印で示すように、第１方向に磁気異方性を有するように構成される。強磁性層１ｃは、矢印で示すように、第１方向及びこれと逆向きの第２方向とは異なる第３方向に磁気異方性を有するように構成される。 The ferromagnetic layer 1b is configured to have magnetic anisotropy in the first direction as indicated by an arrow. The ferromagnetic layer 1c is configured to have magnetic anisotropy in a third direction different from the first direction and the second direction opposite to the first direction, as indicated by arrows.

このように、磁気異方性の向きを異ならせるには、例えば、強磁性層１ｂを成膜する際に印加する磁場の向きと、強磁性層１ｃを成膜する際に印加する磁場の向きと異ならせる、という方法を用いることが可能である。 Thus, in order to change the direction of the magnetic anisotropy, for example, the direction of the magnetic field applied when forming the ferromagnetic layer 1b and the direction of the magnetic field applied when forming the ferromagnetic layer 1c are different. Can be used.

図１９では、強磁性層１ｂと強磁性層１ｃとの間の領域では、磁化の向きが徐々に螺旋状に変化した磁区構造をとるものと考えられる。 In FIG. 19, it can be considered that the region between the ferromagnetic layer 1b and the ferromagnetic layer 1c has a magnetic domain structure in which the magnetization direction gradually changes in a spiral shape.

この場合、磁気抵抗効果素子の記憶層の残留磁化及び磁化困難軸方向の磁場が零又は小さい領域（非選択又は半選択の場合）における磁化パターンは、それぞれ２つのＣ型磁区から構成される。 In this case, the magnetization pattern in the region where the residual magnetization of the storage layer of the magnetoresistive effect element and the magnetic field in the hard axis direction are zero or small (in the case of non-selection or half-selection) is composed of two C-type magnetic domains.

(8) 第８実施の形態
本実施の形態も、例えば、上述の第１乃至第６実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層を、２つ以上の異なる強磁性層の積層構造から構成する例に関する。しかし、本実施の形態では、上述の第７実施の形態とは異なり、例えば、図２０及び図２１に示すように、磁気抵抗効果素子の記憶層となる強磁性層は、２種類の強磁性層１ｂ，１ｃと、これらの間に配置される非磁性層４とから構成される。 (8) Eighth embodiment
This embodiment also relates to an example in which the memory layer of the magnetoresistive effect element according to the first to sixth embodiments described above is configured from a laminated structure of two or more different ferromagnetic layers. However, in the present embodiment, unlike the seventh embodiment described above, for example, as shown in FIGS. 20 and 21, the ferromagnetic layer serving as the memory layer of the magnetoresistive effect element has two types of ferromagnetic layers. It consists of layers 1b and 1c and a nonmagnetic layer 4 disposed between them.

強磁性層１ｂ，１ｃの間に非磁性層４を配置することで、これら強磁性層１ｂ，１ｃの間に層間結合と呼ばれる結合が発生する。層間結合は、非磁性層４の厚さに依存して、強磁性層１ｂ，１ｃの間に強磁性結合又は反強磁性結合を生じさせる。 By disposing the nonmagnetic layer 4 between the ferromagnetic layers 1b and 1c, coupling called interlayer coupling occurs between the ferromagnetic layers 1b and 1c. The interlayer coupling causes a ferromagnetic coupling or an antiferromagnetic coupling between the ferromagnetic layers 1 b and 1 c depending on the thickness of the nonmagnetic layer 4.

尚、図２０の例は、非磁性層４が導電体の場合であり、図２１の例は、非磁性層４が絶縁体の場合である。 The example of FIG. 20 is a case where the nonmagnetic layer 4 is a conductor, and the example of FIG. 21 is a case where the nonmagnetic layer 4 is an insulator.

磁気抵抗効果素子の記憶層を、強磁性層１ｂ，１ｃと、これらの間に配置される非磁性層４とから構成すると、図２４に示すように、磁気抵抗効果素子のスイッチング曲線が磁化困難軸方向に大きく伸びる。 When the memory layer of the magnetoresistive effect element is composed of the ferromagnetic layers 1b and 1c and the nonmagnetic layer 4 disposed therebetween, as shown in FIG. 24, the switching curve of the magnetoresistive effect element is difficult to magnetize. Extends greatly in the axial direction.

図２２は、第８実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層の構造例１を示している。 FIG. 22 shows Structural Example 1 of the memory layer of the magnetoresistive effect element according to the eighth embodiment.

本例は、図２の磁気抵抗効果素子の記憶層を、強磁性層１ｂ，１ｃと、これらの間に配置される非磁性層４とから構成した点に特徴を有する。 This example is characterized in that the memory layer of the magnetoresistive effect element in FIG. 2 is composed of ferromagnetic layers 1b and 1c and a nonmagnetic layer 4 disposed therebetween.

図２３は、第８実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層の構造例２を示している。 FIG. 23 shows Structural Example 2 of the memory layer of the magnetoresistive effect element according to the eighth embodiment.

本例は、十字型磁気抵抗効果素子の記憶層を、強磁性層１ｂ，１ｃと、これらの間に配置される非磁性層４とから構成した点に特徴を有する。 This example is characterized in that the memory layer of the cross-shaped magnetoresistive element is composed of ferromagnetic layers 1b and 1c and a nonmagnetic layer 4 disposed therebetween.

図２３では、強磁性層１ｂと強磁性層１ｃとの間の領域では、磁化の向きが徐々に螺旋状に変化した磁区構造をとるものと考えられる。 In FIG. 23, it is considered that the region between the ferromagnetic layer 1b and the ferromagnetic layer 1c has a magnetic domain structure in which the magnetization direction gradually changes in a spiral shape.

(9) その他
本発明の例は、磁気抵抗効果素子の記憶層の磁気異方性により規定される。従って、上述の第１乃至第８実施の形態に関わる記憶層の形状は、一例に過ぎず、それ自体に特徴を有する、というものではない。 (9) Other
The example of the present invention is defined by the magnetic anisotropy of the memory layer of the magnetoresistive effect element. Therefore, the shape of the memory layer according to the first to eighth embodiments described above is merely an example, and does not have its own characteristics.

但し、本発明の例に関わる磁気異方性を有する記憶層であって、上述の第１乃至第８実施の形態に関わる形状を有する記憶層は、強磁性層の加工時に使用するマスクの形状を工夫することにより容易に実現できる。 However, the memory layer having magnetic anisotropy according to the example of the present invention and having the shape according to the first to eighth embodiments described above is the shape of the mask used when processing the ferromagnetic layer. It can be easily realized by devising.

また、図２、図５、図７〜図１３、図１５及び図１６に示される記憶層を、図１８及び図２２に示されるように、積層構造とすることも可能である。 In addition, the storage layers shown in FIGS. 2, 5, 7 to 13, 15 and 16 may have a laminated structure as shown in FIGS.

３．応用例
本発明の例に関わる磁気抵抗効果素子は、磁気ランダムアクセスメモリのメモリセルに応用できる。 3. Application examples
The magnetoresistive effect element according to the example of the present invention can be applied to a memory cell of a magnetic random access memory.

本発明の例に関わる磁気抵抗効果素子は、スイッチング磁場を十分に小さくすることができるため、磁気ランダムアクセスメモリのメモリセルにおける記憶層に適用すると最大の効果を発揮することができる。 Since the magnetoresistive effect element according to the example of the present invention can sufficiently reduce a switching magnetic field, the maximum effect can be exhibited when applied to a storage layer in a memory cell of a magnetic random access memory.

以下、磁気ランダムアクセスメモリの例についていくつか説明する。 Hereinafter, some examples of the magnetic random access memory will be described.

図２５は、クロスポイント型メモリセルアレイを示している。 FIG. 25 shows a cross-point type memory cell array.

読み出し／書き込みワード線ＷＬと読み出し／書き込みビット線ＢＬとは、互いに交差しており、その交差部に磁気抵抗効果素子Ｃが配置される。磁気抵抗効果素子Ｃは、読み出し／書き込みワード線ＷＬ及び読み出し／書き込みビット線ＢＬに電気的に接続される。 The read / write word line WL and the read / write bit line BL intersect each other, and the magnetoresistive element C is disposed at the intersection. The magnetoresistive element C is electrically connected to the read / write word line WL and the read / write bit line BL.

磁気抵抗効果素子Ｃと読み出し／書き込みワード線ＷＬとの間には、ダイオードＤが配置される。ダイオードＤは、クロスポイント型メモリセルアレイに特有の読み出し／書き込み時におけるいわゆる回り込み電流を防止する機能を有する。回り込み電流は、例えば、このダイオードＤと、非選択の読み出し／書き込みワード線ＷＬ及び非選択の読み出し／書き込みビット線ＢＬにバイアス電圧を与えることにより回避する。 A diode D is disposed between the magnetoresistive element C and the read / write word line WL. The diode D has a function of preventing a so-called sneak current at the time of reading / writing unique to the cross-point type memory cell array. The sneak current is avoided, for example, by applying a bias voltage to the diode D, the non-selected read / write word line WL, and the non-selected read / write bit line BL.

読み出し／書き込みワード線ＷＬには、例えば、選択トランジスタＳＴｗを経由してセンスアンプＳＡが接続される。読み出し／書き込みビット線ＢＬには、例えば、選択トランジスタＳＴＢを経由して電源が接続される。 For example, a sense amplifier SA is connected to the read / write word line WL via a selection transistor STw. For example, a power source is connected to the read / write bit line BL via a selection transistor STB.

図２６は、はしご型メモリセルアレイを示している。 FIG. 26 shows a ladder type memory cell array.

書き込みビット線ＢＬｗと読み出しビット線ＢＬｒとの間には、はしご状に複数の磁気抵抗効果素子Ｃが配置される。書き込みビット線ＢＬｗと読み出しビット線ＢＬｒは、同一方向に延びている。 A plurality of magnetoresistive elements C are arranged in a ladder shape between the write bit line BLw and the read bit line BLr. The write bit line BLw and the read bit line BLr extend in the same direction.

磁気抵抗効果素子Ｃの直下には、書き込みワード線ＷＬが配置される。書き込みワード線ＷＬは、磁気抵抗効果素子Ｃから一定距離だけ離れて配置され、書き込みビット線ＢＬｗに交差する方向に延びる。 A write word line WL is arranged immediately below the magnetoresistive element C. The write word line WL is arranged away from the magnetoresistive element C by a certain distance and extends in a direction intersecting the write bit line BLw.

読み出しビット線ＢＬｒには、例えば、選択トランジスタＳＴを経由して抵抗素子Ｒが接続される。センスアンプＳＡは、抵抗素子Ｒの両端に発生する電圧を検出することにより読み出しデータをセンスする。書き込みビット線ＢＬｗの一端には、電源が接続され、他端には、例えば、選択トランジスタＳＴを経由して接地点が接続される。 For example, a resistance element R is connected to the read bit line BLr via a selection transistor ST. The sense amplifier SA senses read data by detecting the voltage generated across the resistance element R. A power supply is connected to one end of the write bit line BLw, and a ground point is connected to the other end via, for example, a selection transistor ST.

図２７及び図２８は、それぞれ１トランジスタ−１ＭＴＪ型メモリセルアレイを示している。 27 and 28 each show a one-transistor-1MTJ type memory cell array.

書き込みワード線ＷＬと読み出し／書き込みビット線ＢＬとは、互いに交差しており、その交差部に磁気抵抗効果素子Ｃが配置される。磁気抵抗効果素子Ｃは、読み出し／書き込みビット線ＢＬに電気的に接続される。磁気抵抗効果素子Ｃの直下には、書き込みワード線ＷＬが配置される。書き込みワード線ＷＬは、磁気抵抗効果素子Ｃから一定距離だけ離れている。 The write word line WL and the read / write bit line BL intersect each other, and the magnetoresistive element C is disposed at the intersection. The magnetoresistive element C is electrically connected to the read / write bit line BL. A write word line WL is arranged immediately below the magnetoresistive element C. The write word line WL is separated from the magnetoresistive element C by a certain distance.

磁気抵抗効果素子Ｃの一端は、例えば、選択トランジスタＳＴ２を経由してセンスアンプＳＡに接続される。読み出し／書き込みビット線ＢＬは、選択トランジスタＳＴ１を経由して電源に接続される。 One end of the magnetoresistive element C is connected to, for example, the sense amplifier SA via the selection transistor ST2. The read / write bit line BL is connected to the power supply via the selection transistor ST1.

尚、図２８の構造では、磁気抵抗効果素子Ｃの一端は、引き出し線としての下部電極Ｌに接続される。このため、磁気抵抗効果素子Ｃの直下に選択トランジスタＳＴ２が配置されても、書き込みワード線ＷＬを磁気抵抗効果素子Ｃの近傍に配置することができる。 In the structure of FIG. 28, one end of the magnetoresistive element C is connected to the lower electrode L as a lead line. For this reason, even if the selection transistor ST2 is disposed immediately below the magnetoresistive effect element C, the write word line WL can be disposed in the vicinity of the magnetoresistive effect element C.

以上、本発明の例に関わる磁気抵抗効果素子が適用される磁気ランダムアクセスメモリの代表例について説明したが、本発明の例は、これら代表例以外の磁気ランダムアクセスメモリにも適用できる。 As described above, the representative example of the magnetic random access memory to which the magnetoresistive effect element according to the example of the present invention is applied has been described.

尚、磁気抵抗効果素子の磁化容易軸方向は、書き込みワード線に平行であってもよいし、書き込みビット線に平行であってもよい。また、磁気抵抗効果素子の磁化容易軸方向は、２本の書き込み線（書き込みワード／ビット線）が延びる方向に対して４５°の方向を向いていてもよい。 The easy axis of magnetization of the magnetoresistive effect element may be parallel to the write word line or may be parallel to the write bit line. Further, the easy axis direction of magnetization of the magnetoresistive effect element may be oriented at 45 ° with respect to the direction in which the two write lines (write word / bit line) extend.

４．その他
本発明の例によれば、磁化反転の対象となる選択状態では、スイッチング曲線の書き込みポイント（窪み部分）におけるスイッチング磁場が小さくなり、かつ、磁化反転の対象とならない半選択状態及び非選択状態では、磁化状態が安定した磁気抵抗効果素子を提供できる。 4). Other
According to the example of the present invention, in the selected state that is the target of magnetization reversal, the switching magnetic field at the writing point (recessed portion) of the switching curve is small, and in the semi-selected state and the non-selected state that is not the target of magnetization reversal. A magnetoresistive effect element having a stable magnetization state can be provided.

この磁気抵抗効果素子を磁気メモリのメモリセルとして用いた場合、磁化反転に必要なスイッチング磁場を生成するための書き込み電流を小さくでき、低消費電流を実現できる。このように、本発明の例によれば、消費電力が少なく、高集積化が可能で、かつ、スイッチング（磁化反転）が高速に行える磁気メモリを提供できる。 When this magnetoresistive effect element is used as a memory cell of a magnetic memory, a write current for generating a switching magnetic field necessary for magnetization reversal can be reduced, and a low current consumption can be realized. Thus, according to the example of the present invention, it is possible to provide a magnetic memory that consumes less power, can be highly integrated, and can perform switching (magnetization reversal) at high speed.

本発明の例は、上述の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、構成要素を変形して具体化できる。また、上述の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を構成できる。例えば、上述の形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよいし、異なる形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。 The examples of the present invention are not limited to the above-described embodiments, and can be embodied by modifying the components without departing from the scope of the invention. Various inventions can be configured by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the above-described embodiments. For example, some constituent elements may be deleted from all the constituent elements disclosed in the above embodiments, or constituent elements of different forms may be appropriately combined.

本発明の例に関わる磁気抵抗効果素子の断面構造を示す図。The figure which shows the cross-section of the magnetoresistive effect element in connection with the example of this invention. 第１実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層を示す図。The figure which shows the memory | storage layer of the magnetoresistive effect element in connection with 1st Embodiment. 図２の磁気抵抗効果素子のスイッチング曲線を示す図。The figure which shows the switching curve of the magnetoresistive effect element of FIG. 単磁区モデルで得られるスイッチング曲線を示す図。The figure which shows the switching curve obtained by a single magnetic domain model. 第２実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層を示す図。The figure which shows the memory | storage layer of the magnetoresistive effect element in connection with 2nd Embodiment. 図５の磁気抵抗効果素子のスイッチング曲線を示す図。The figure which shows the switching curve of the magnetoresistive effect element of FIG. 第３実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層を示す図。The figure which shows the memory layer of the magnetoresistive effect element in connection with 3rd Embodiment. 図７の磁気抵抗効果素子の変形例を示す図。The figure which shows the modification of the magnetoresistive effect element of FIG. 図７の磁気抵抗効果素子の変形例を示す図。The figure which shows the modification of the magnetoresistive effect element of FIG. 図７の磁気抵抗効果素子の変形例を示す図。The figure which shows the modification of the magnetoresistive effect element of FIG. 図７の磁気抵抗効果素子の変形例を示す図。The figure which shows the modification of the magnetoresistive effect element of FIG. 図７の磁気抵抗効果素子の変形例を示す図。The figure which shows the modification of the magnetoresistive effect element of FIG. 第４実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層を示す図。The figure which shows the memory layer of the magnetoresistive effect element in connection with 4th Embodiment. 図１３の磁気抵抗効果素子のスイッチング曲線を示す図。The figure which shows the switching curve of the magnetoresistive effect element of FIG. 第５実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層を示す図。The figure which shows the memory | storage layer of the magnetoresistive effect element in connection with 5th Embodiment. 第６実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層を示す図。The figure which shows the memory | storage layer of the magnetoresistive effect element in connection with 6th Embodiment. 本発明の例に関わる磁気抵抗効果素子の断面構造を示す図。The figure which shows the cross-section of the magnetoresistive effect element in connection with the example of this invention. 第７実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層の構造例１を示す図。The figure which shows the structural example 1 of the memory | storage layer of the magnetoresistive effect element in connection with 7th Embodiment. 第７実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層の構造例２を示す図。The figure which shows the structural example 2 of the memory layer of the magnetoresistive effect element in connection with 7th Embodiment. 本発明の例に関わる磁気抵抗効果素子の断面構造を示す図。The figure which shows the cross-section of the magnetoresistive effect element in connection with the example of this invention. 本発明の例に関わる磁気抵抗効果素子の断面構造を示す図。The figure which shows the cross-section of the magnetoresistive effect element in connection with the example of this invention. 第８実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層の構造例１を示す図。The figure which shows the structural example 1 of the memory | storage layer of the magnetoresistive effect element in connection with 8th Embodiment. 第８実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層の構造例２を示す図。The figure which shows the structural example 2 of the memory | storage layer of the magnetoresistive effect element in connection with 8th Embodiment. 第７及び第８実施の形態の磁気抵抗効果素子のスイッチング曲線を示す図。The figure which shows the switching curve of the magnetoresistive effect element of 7th and 8th embodiment. 磁気ランダムアクセスメモリの例を示す図。The figure which shows the example of a magnetic random access memory. 磁気ランダムアクセスメモリの例を示す図。The figure which shows the example of a magnetic random access memory. 磁気ランダムアクセスメモリの例を示す図。The figure which shows the example of a magnetic random access memory. 磁気ランダムアクセスメモリの例を示す図。The figure which shows the example of a magnetic random access memory.

Explanation of symbols

１ａ：強磁性層（基準層）、１ｂ：強磁性層（記憶層）、２：トンネルバリア、３：反強磁性層、４：非磁性層、Ｃ：磁気抵抗効果素子、Ｄ：ダイオード、Ｒ：抵抗素子、ＳＡ：センスアンプ、ＳＴｗ，ＳＴＢ，ＳＴ，ＳＴ１，ＳＴ２：選択トランジスタ、ＢＬ：読み出し／書き込みビット線、ＷＬ：書き込みワード線、ＢＬｗ：書き込みビット線、ＢＬｒ：読み出しビット線。 1a: ferromagnetic layer (reference layer), 1b: ferromagnetic layer (memory layer), 2: tunnel barrier, 3: antiferromagnetic layer, 4: nonmagnetic layer, C: magnetoresistive element, D: diode, R : Resistance element, SA: sense amplifier, STw, STB, ST, ST1, ST2: selection transistor, BL: read / write bit line, WL: write word line, BLw: write bit line, BLr: read bit line.

Claims

In the magnetoresistive effect element having a laminated structure including the first and second ferromagnetic layers and the nonmagnetic layer disposed therebetween, at least one of the first and second ferromagnetic layers is a first layer. A third ferromagnetic layer having magnetic anisotropy in one direction and a magnetic anisotropy in a third direction different from the first direction and the second direction opposite to the first ferromagnetic layer, stacked on the third ferromagnetic layer; A magnetoresistive effect element comprising: a fourth ferromagnetic layer having a property.

The magnetoresistive element according to claim 1, wherein the fourth ferromagnetic layer is directly stacked on the third ferromagnetic layer.

The magnetoresistive element according to claim 1, wherein the fourth ferromagnetic layer is stacked on the third ferromagnetic layer via a nonmagnetic layer.

4. The magnetoresistive element according to claim 1, wherein the third and fourth ferromagnetic layers have the same shape. 5.

5. The magnetoresistive element according to claim 1, wherein the third and fourth ferromagnetic layers have a general shape in which two or more letters C are combined.

The magnetoresistive element according to claim 1, wherein the third and fourth ferromagnetic layers have a cross-shaped outline.

The magnetoresistive effect element according to any one of claims 1 to 6, wherein a plurality of C-type magnetic domains are formed by the third and fourth ferromagnetic layers.

The magnetoresistive element according to claim 1, wherein the third and fourth ferromagnetic layers are ferromagnetically coupled or antiferromagnetically coupled to each other.

In the magnetoresistive effect element having a laminated structure including the first and second ferromagnetic layers and the nonmagnetic layer disposed therebetween, at least one of the first and second ferromagnetic layers is a first layer. A first portion having magnetic anisotropy in one direction and a physical anisotropy in a third direction that is physically coupled to the first portion and different from the first direction and a second direction opposite to the first direction. A magnetoresistive effect element comprising: a second portion having a second portion.

The magnetoresistive effect element according to claim 9, wherein a rough shape obtained by combining two or more characters C is obtained by the first and second portions.

The magnetoresistive effect element according to claim 10, wherein the two or more letters C face the same direction.

The magnetoresistive effect element according to claim 10, wherein the two or more characters C face different directions.

The magnetoresistive effect element according to claim 9, wherein a cross shape is obtained by the first and second portions.

The magnetoresistive effect element according to claim 9, wherein a rough shape obtained by intersecting two parallelograms is obtained by the first and second portions.

10. The magnetoresistive element according to claim 9, wherein the first and second portions obtain a rough shape in which a parallelogram and a quadrangle intersect.

The magnetoresistive effect element according to claim 9, wherein a plurality of C-type magnetic domains are constituted by the first and second portions.

At least one of the first and second ferromagnetic layers includes two magnetic layers, and the two magnetic layers are ferromagnetically coupled or antiferromagnetically coupled to each other. The magnetoresistive effect element according to any one of claims 9 to 16.

At least one of the first and second ferromagnetic layers includes two magnetic layers and a nonmagnetic layer between the two magnetic layers, and the two magnetic layers are strong against each other. The magnetoresistive effect element according to claim 9, wherein the magnetoresistive element is magnetically coupled or antiferromagnetically coupled.

The said 3rd direction has faced the direction of the angle in the range of 30 degrees or more and 90 degrees or less with respect to the said 1st or 2nd direction. 2. A magnetoresistive element described in 1.

20. The magnetoresistive effect according to claim 1, wherein the thicknesses of the first and second ferromagnetic layers are set to a value in a range of 0.1 nm to 50 nm. element.

21. A magnetic random access memory using the magnetoresistive effect element according to claim 1 as a memory cell.