JP2007281247A - Spin memory - Google Patents

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好昭 斉藤
Hideyuki Sugiyama
英行 杉山
Tomoaki Iguchi
智明 井口
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a spin memory having thermal fluctuation resistance, low power consumption, low current in writing performance, and high reliability. <P>SOLUTION: The spin memory is provided with first and second conducting lines 13 and BLu, a magnetoresistance effect element MTJ arranged between one end of the first conducting line 13 and the second conducting line BLu, a switch element SW connected to the other end of the first conducting line 13, and a driver/sinker making spin implantation current Is for inverting magnetization by a spin torque flow to the magnetoresistance effect element MTJ through the first and second conducting lines 13 and BLu. The magnetoresistance effect element MTJ has a magnetic recording layer whose magnetization direction is variable and a magnetic fastening layer whose magnetization direction is fastened. An angle θ is 0°<θ≤45° between a magnetization easy axis of the magnetic recording layer and a long axis of the first conducting line 13. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、磁気抵抗効果(magneto-resistive effect)を利用するスピンメモリに係わる。   The present invention relates to a spin memory that uses a magneto-resistive effect.

磁気抵抗効果は、磁気ヘッドや磁気センサなどで利用される一方、磁気ランダムアクセスメモリ(magnetic random access memory)に代表されるスピンメモリへの適用が検討されている。   While the magnetoresistive effect is used in a magnetic head, a magnetic sensor, or the like, application to a spin memory represented by a magnetic random access memory has been studied.

例えば、磁気ランダムアクセスメモリでは、データを磁性層の磁化状態により記憶し、磁気抵抗効果によりデータの読み出しを行う磁気抵抗効果素子をメモリセルとする。磁気ランダムアクセスメモリは、高速、不揮発のRAMとして注目されるが、実用化のために解決しなければならない課題も多い。   For example, in a magnetic random access memory, a memory cell is a magnetoresistive element that stores data according to the magnetization state of a magnetic layer and reads data by the magnetoresistive effect. Magnetic random access memory is attracting attention as a high-speed, non-volatile RAM, but there are many problems that must be solved for practical use.

その一つに書き込み電流の低減がある。書き込み電流により発生する磁場を用いて磁化反転を行う書き込み方式では、メモリセルが縮小(shrink)されるに従い、磁化反転に必要な書き込み電流の値が大きくなる問題がある。   One of them is a reduction in write current. In the writing method in which the magnetization reversal is performed using the magnetic field generated by the write current, there is a problem that the value of the write current necessary for the magnetization reversal increases as the memory cell is shrunk.

そこで考案された技術がスピン注入磁化反転による書き込み方式である(例えば、特許文献1を参照)。   A technique devised therefor is a writing method by spin injection magnetization reversal (see, for example, Patent Document 1).

この方式は、スピン偏極された電子を磁性層に注入し、スピン偏極された電子と磁性層内の電子との間に生じるトルクにより磁化反転を行うもので、メモリセルが縮小されるに従い、磁化反転に必要なスピン注入電流の値が小さくなる特長を有する。   In this method, spin-polarized electrons are injected into the magnetic layer, and magnetization reversal is performed by torque generated between the spin-polarized electrons and the electrons in the magnetic layer. The spin injection current value necessary for magnetization reversal is small.

しかし、スピン注入磁化反転による書き込み方式では、スピン注入電流による磁気抵抗効果素子のトンネル絶縁膜の破壊が問題となる。即ち、磁気抵抗効果素子の信頼性を維持するためには、磁化反転に必要なスピン注入電流の電流密度の低減が必須である。   However, in the writing method by spin injection magnetization reversal, the breakdown of the tunnel insulating film of the magnetoresistive effect element due to the spin injection current becomes a problem. That is, in order to maintain the reliability of the magnetoresistive effect element, it is essential to reduce the current density of the spin injection current necessary for the magnetization reversal.

最終的な目標としては、スケーラビリティ(scalability)を確保するために、メモリセルが微細化されても、熱揺らぎなく、また、低消費電力及び高信頼性を維持しつつ、低電流密度での磁化反転が可能な技術の開発が望まれる。
米国特許第6,256,223号
The ultimate goal is to maintain low power consumption and high reliability while maintaining low power consumption and high reliability even when memory cells are miniaturized to ensure scalability. Development of technology that can be reversed is desired.
US Pat. No. 6,256,223

本発明の例では、メモリセルが微細化されても、熱揺らぎ耐性を有し、低消費電力及び高信頼性を維持しつつ、低電流密度での磁化反転が可能なスピンメモリを提供する。   An example of the present invention provides a spin memory that has thermal fluctuation resistance even when a memory cell is miniaturized, and can perform magnetization reversal at a low current density while maintaining low power consumption and high reliability.

本発明の例に関わるスピンメモリは、第1及び第2導電線と、第1導電線の一端と第2導電線との間に配置される第1磁気抵抗効果素子と、第1導電線の他端に接続されるスイッチ素子と、第1及び第2導電線を介して第1磁気抵抗効果素子にスピントルクによる磁化反転のためのスピン注入電流を流すドライバ/シンカーとを備え、第1磁気抵抗効果素子は、磁化方向が可変の磁気記録層と、磁化方向が固着される第1磁気固着層とを有し、磁気記録層の磁化容易軸と第1導電線の長軸とのなす角度θは、0°<θ≦45°である。   A spin memory according to an example of the present invention includes first and second conductive lines, a first magnetoresistive element disposed between one end of the first conductive line and the second conductive line, and the first conductive line. A switching element connected to the other end, and a driver / sinker for passing a spin injection current for magnetization reversal by spin torque to the first magnetoresistive element via the first and second conductive lines, The resistance effect element includes a magnetic recording layer having a variable magnetization direction and a first magnetic fixed layer to which the magnetization direction is fixed, and an angle formed between an easy axis of magnetization of the magnetic recording layer and a long axis of the first conductive line. θ is 0 ° <θ ≦ 45 °.

本発明の例に関わるスピンメモリは、第1及び第2導電線と、第1導電線の一端と第2導電線との間に配置される磁気抵抗効果素子と、第1導電線の他端に接続されるスイッチ素子と、第1及び第2導電線を介して磁気抵抗効果素子にスピントルクによる磁化反転のためのスピン注入電流を流すドライバ/シンカーと、スピントルクによる磁化反転をアシストする磁場を発生させるアシスト電流が流れる第3導電線とを備え、磁気抵抗効果素子は、磁化方向が可変の磁気記録層と、磁化方向が固着される磁気固着層とを有し、磁気記録層の磁化容易軸と第1導電線の長軸とのなす角度θは、0°<θ≦45°である。   A spin memory according to an example of the present invention includes a first conductive line, a second conductive line, a magnetoresistive effect element disposed between one end of the first conductive line and the second conductive line, and the other end of the first conductive line. A switching element connected to, a driver / sinker for passing a spin injection current for magnetization reversal by spin torque to the magnetoresistive effect element via the first and second conductive lines, and a magnetic field for assisting magnetization reversal by spin torque The magnetoresistive effect element includes a magnetic recording layer having a variable magnetization direction and a magnetic pinned layer to which the magnetization direction is fixed, and the magnetization of the magnetic recording layer is provided. The angle θ formed by the easy axis and the long axis of the first conductive line is 0 ° <θ ≦ 45 °.

本発明の例によれば、メモリセルが微細化されても、熱揺らぎ耐性を有し、低消費電力及び高信頼性を維持しつつ、低電流密度での磁化反転が可能なスピンメモリを実現できる。   According to the example of the present invention, even if a memory cell is miniaturized, a spin memory that is resistant to thermal fluctuation, can maintain magnetization with low current density while maintaining low power consumption and high reliability is realized. it can.

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

1. 概要
本発明の例に関わるスピンメモリは、スピントルクにより磁化反転を行うと共に、磁場を磁化反転のアシストとして用いる書き込み方式を前提とし、その特徴は、磁場によるアシスト効果が最も大きくなる磁気抵抗効果素子のレイアウトにある。具体的には、磁気抵抗効果素子の磁化容易軸(axis of easy magnetization)と導電線の長軸とのなす角度θを0°<θ≦45°にする。
1. Overview
The spin memory according to the example of the present invention is premised on a writing method in which magnetization reversal is performed by spin torque and a magnetic field is used as an assist for magnetization reversal. In the layout. Specifically, the angle θ formed between the axis of easy magnetization of the magnetoresistive effect element and the long axis of the conductive wire is set to 0 ° <θ ≦ 45 °.

この導電線は、その一端に磁気抵抗効果素子が配置され、他端にスイッチ素子が接続される導電線のことであり、例えば、磁気抵抗効果素子が直接接触する下部電極がこれに相当する。スイッチ素子は、リード/ライト時に磁気抵抗効果素子を選択する機能を有し、例えば、磁気抵抗効果素子の下部に配置される。   This conductive line is a conductive line in which a magnetoresistive effect element is disposed at one end and a switch element is connected to the other end. For example, a lower electrode in direct contact with the magnetoresistive effect element corresponds to this conductive line. The switch element has a function of selecting a magnetoresistive effect element at the time of reading / writing, and is disposed, for example, below the magnetoresistive effect element.

このようなレイアウトによれば、スピントルクにより磁化反転を行う際に、磁場による磁化反転のアシスト効果を最大にすることが可能となるため、スピン注入電流の電流密度を飛躍的に小さくできる。   According to such a layout, when performing magnetization reversal by spin torque, it becomes possible to maximize the assist effect of magnetization reversal by a magnetic field, so that the current density of the spin injection current can be drastically reduced.

尚、磁気抵抗効果素子は、SAF(synthetic anti-ferromagnetic)−フリー層構造とするのが好ましい。また、磁場については、スピン偏極された電子を発生させるためのスピン注入電流を利用して発生させてもよいし、スピン注入電流とは異なるアシスト電流により発生させてもよい。   The magnetoresistive element preferably has a SAF (synthetic anti-ferromagnetic) -free layer structure. The magnetic field may be generated using a spin injection current for generating spin-polarized electrons, or may be generated by an assist current different from the spin injection current.

具体的な書き込みシーケンスと最大のアシスト効果を発揮するために必要な磁気抵抗効果素子の向きについては、実施の形態のなかで詳細に説明する。   The specific write sequence and the direction of the magnetoresistive effect element necessary for exhibiting the maximum assist effect will be described in detail in the embodiment.

2. 参考例
(1) 磁気抵抗効果素子
図1は、スピンメモリのメモリセルとして用いられる磁気抵抗効果素子の構造例を示している。
2. Reference example
(1) Magnetoresistive Effect Element FIG. 1 shows a structural example of a magnetoresistive effect element used as a memory cell of a spin memory.

同図(a)は、磁気抵抗効果素子の基本構造である。   FIG. 1A shows the basic structure of the magnetoresistive element.

電極M1上には、下地層(Ru)が配置され、下地層上には、磁気抵抗効果素子が配置される。磁気抵抗効果素子は、磁気記録層としてのフリー層(Co90Fe10)、磁気固着層としてのピンド(pinned)層(Co90Fe10)、及び、これらの間のトンネルバリア層(MgO)から構成される。ピンド層の磁化方向は、反強磁性層(IrMn)により固着される。反強磁性層上には、保護層としてのキャップ層(Ru/Ta)が配置される。 A base layer (Ru) is disposed on the electrode M1, and a magnetoresistive element is disposed on the base layer. Magnetoresistive element, the free layer of the magnetic recording layer (Co 90 Fe 10), a pinned (pinned) layer serving as a magnetic pinned layer (Co 90 Fe 10), and, from the tunnel barrier layer between them (MgO) Composed. The magnetization direction of the pinned layer is fixed by the antiferromagnetic layer (IrMn). A cap layer (Ru / Ta) as a protective layer is disposed on the antiferromagnetic layer.

同図(b)は、SAF−フリー層構造の磁気抵抗効果素子である。   FIG. 2B shows a magnetoresistive effect element having a SAF-free layer structure.

電極M1上には、下地層(Ru)が配置され、下地層上には、磁気抵抗効果素子が配置される。磁気抵抗効果素子は、磁気記録層としてのフリー層(Co90Fe10/Ru/ Co90Fe10)、磁気固着層としてのピンド(pinned)層(Co90Fe10)、及び、これらの間のトンネルバリア層(MgO)から構成される。 A base layer (Ru) is disposed on the electrode M1, and a magnetoresistive element is disposed on the base layer. The magnetoresistive effect element includes a free layer (Co 90 Fe 10 / Ru / Co 90 Fe 10 ) as a magnetic recording layer, a pinned layer (Co 90 Fe 10 ) as a magnetic pinned layer, and a gap between them. It is composed of a tunnel barrier layer (MgO).

フリー層は、2つの磁性体(Co90Fe10)とこれらの間の非磁性体(Ru)とから構成され、2つの磁性体は、非磁性体を介して互いに反強磁性結合している。 The free layer is composed of two magnetic bodies (Co 90 Fe 10 ) and a non-magnetic body (Ru) between them, and the two magnetic bodies are antiferromagnetically coupled to each other via the non-magnetic body. .

ピンド層の磁化方向は、反強磁性層(IrMn)により固着される。反強磁性層上には、保護層としてのキャップ層(Ru/Ta)が配置される。   The magnetization direction of the pinned layer is fixed by the antiferromagnetic layer (IrMn). A cap layer (Ru / Ta) as a protective layer is disposed on the antiferromagnetic layer.

SAF−フリー層構造を採用すると、図2に示すように、特に、2つの磁性体の間に生じる磁気相互作用(反強磁性結合の強さ)JEX
JEX ≧ 0.52 erg/cm2
のときの熱擾乱耐性が良くなり、スケーラビリティが確保される。
When the SAF-free layer structure is adopted, as shown in FIG. 2, the magnetic interaction (strength of antiferromagnetic coupling) J EX generated between two magnetic bodies is particularly
J EX ≧ 0.52 erg / cm 2
In this case, the thermal disturbance resistance is improved, and scalability is ensured.

(2) メモリセル構造
図3及び図4は、メモリセル構造の例を示している。
(2) Memory Cell Structure FIGS. 3 and 4 show examples of the memory cell structure.

半導体基板11内には、STI(shallow trench isolation)構造の素子分離絶縁層12が配置される。素子分離絶縁層12により囲まれた素子領域内には、スイッチ素子SWとして、例えば、MISFET(MOSFETを含む)が配置される。スイッチ素子SWの一端は、コンタクトパーツAを介して、導電線としての下部ビット線BLdに接続される。下部ビット線BLdは、例えば、カラム方向に延びる。   An element isolation insulating layer 12 having an STI (shallow trench isolation) structure is disposed in the semiconductor substrate 11. In the element region surrounded by the element isolation insulating layer 12, for example, a MISFET (including a MOSFET) is disposed as the switch element SW. One end of the switch element SW is connected to the lower bit line BLd as a conductive line through the contact part A. The lower bit line BLd extends in the column direction, for example.

導電線13は、ヨーク構造を有し、導電体13aと、導電体13aの下面と側面とを覆う軟磁性体13bとから構成される。磁気抵抗効果素子MTJは、導電線13の一端に配置される。導電線13の他端は、コンタクトパーツBを介して、スイッチ素子SWの他端に接続される。   The conductive wire 13 has a yoke structure and includes a conductor 13a and a soft magnetic body 13b that covers the lower surface and side surfaces of the conductor 13a. The magnetoresistive element MTJ is disposed at one end of the conductive wire 13. The other end of the conductive line 13 is connected to the other end of the switch element SW via the contact part B.

導電線13に関して、図3の例では、カラム方向に延び、図4の例では、カラム方向とこれに垂直なロウ方向との間の斜め方向に延びる。   The conductive line 13 extends in the column direction in the example of FIG. 3, and extends in an oblique direction between the column direction and the row direction perpendicular to the column direction in the example of FIG.

磁気抵抗効果素子MTJ上には、ビアプラグ(via plug)、金属ハードマスクなどのコンタクトパーツ14を介して、導電線としての上部ビット線BLuが配置される。上部ビット線BLuは、例えば、カラム方向に延びる。   An upper bit line BLu as a conductive line is disposed on the magnetoresistive element MTJ via a contact part 14 such as a via plug or a metal hard mask. The upper bit line BLu extends, for example, in the column direction.

ここで、磁気抵抗効果素子MTJは、以下のようにレイアウトされる。
磁気抵抗効果素子MTJの磁化容易軸(axis of easy magnetization)は、導電線13の長軸(longitudinal direction)に合わせる。磁気抵抗効果素子MTJの磁化困難軸(axis of hard magnetization)は、磁化容易軸に垂直となる。
Here, the magnetoresistive effect element MTJ is laid out as follows.
The axis of easy magnetization of the magnetoresistive element MTJ is aligned with the longitudinal direction of the conductive wire 13. The axis of hard magnetization of the magnetoresistive element MTJ is perpendicular to the easy axis of magnetization.

また、スピン注入電流Isは、導電線13、上部ビット線BLu及び下部ビット線BLdを介して、磁気抵抗効果素子MTJに与える。本例では、導電線13に流れるスピン注入電流Isの向きと上部ビット線BLuに流れるスピン注入電流Isの向きとが90°以上(図3の例では180°)異なっているが、上部ビット線BLuに流れるスピン注入電流Isの方向を変えて、これを90°以下(図3の例では同じ向き)にしてもよい。   The spin injection current Is is given to the magnetoresistive effect element MTJ through the conductive line 13, the upper bit line BLu, and the lower bit line BLd. In this example, the direction of the spin injection current Is flowing in the conductive line 13 and the direction of the spin injection current Is flowing in the upper bit line BLu are different by 90 ° or more (180 ° in the example of FIG. 3). The direction of the spin injection current Is flowing through BLu may be changed to be 90 ° or less (the same direction in the example of FIG. 3).

上述の磁気抵抗効果素子MTJのレイアウトによれば、図3及び図4の例のいずれにおいても、導電線13に流れるスピン注入電流Isにより発生する磁場(アシスト磁場)の磁力線は、磁気抵抗効果素子MTJの磁化困難軸方向に延びる形となる。また、導電線13は、磁力線を収束し易いようにヨーク構造を有する。   According to the layout of the magnetoresistive element MTJ described above, in both the examples of FIGS. 3 and 4, the magnetic field lines of the magnetic field (assist magnetic field) generated by the spin injection current Is flowing in the conductive line 13 are The MTJ extends in the hard axis direction. Further, the conductive wire 13 has a yoke structure so that the magnetic force lines can be easily converged.

従って、スピン注入書き込み時に、磁化困難軸方向の磁場が磁気抵抗効果素子MTJに効率的に作用し、磁化反転がアシストされる。   Therefore, at the time of spin injection writing, the magnetic field in the hard axis direction acts efficiently on the magnetoresistive element MTJ, and the magnetization reversal is assisted.

図5は、アシスト磁場によるスピン反転エネルギーバリアの低減について示している。同図からは、磁化困難軸方向のアシスト磁場Hyの値が大きいほど、スピン反転エネルギーバリアが低くなることが分かる。   FIG. 5 shows the reduction of the spin inversion energy barrier by the assist magnetic field. From the figure, it can be seen that the larger the value of the assist magnetic field Hy in the hard axis direction, the lower the spin inversion energy barrier.

図6のアストロイド曲線(astroid curve)を持つ磁気抵抗効果素子に対してスピン注入書き込みを実行する場合、磁化反転に必要なスピン注入電流の電流密度は、図7に示すようになる。   When the spin injection writing is executed for the magnetoresistive effect element having the astroid curve of FIG. 6, the current density of the spin injection current necessary for the magnetization reversal is as shown in FIG.

図8は、スピン注入電流の電流密度と磁気抵抗効果素子の抵抗値との関係を示している。   FIG. 8 shows the relationship between the current density of the spin injection current and the resistance value of the magnetoresistive effect element.

試料は、フリー層が単層(CoFeB:2nm)である磁気抵抗効果素子、IrMn:10nm/ CoFe:3nm/ Ru:0.9nm/ CoFeB:4nm/ MgO:1nm/ CoFeB:2nmとする。この試料に対して、磁化困難軸方向の磁場(アシスト磁場)の強さをパラメータに、スピン注入電流の電流密度と磁気抵抗効果素子の抵抗値との関係をプロットすると、同図に示すようになる。   The sample is a magnetoresistive element whose free layer is a single layer (CoFeB: 2 nm), IrMn: 10 nm / CoFe: 3 nm / Ru: 0.9 nm / CoFeB: 4 nm / MgO: 1 nm / CoFeB: 2 nm. When plotting the relationship between the current density of the spin injection current and the resistance value of the magnetoresistive effect element, the strength of the magnetic field in the hard axis direction (assist magnetic field) is plotted as a parameter for this sample, as shown in FIG. Become.

同図から明らかなように、アシスト磁場 Hhardが、0→20→25[Oe]と大きくなるに従い、磁化反転に必要なスピン注入電流の電流密度が低減される。   As is clear from the figure, as the assist magnetic field Hhard increases from 0 → 20 → 25 [Oe], the current density of the spin injection current necessary for magnetization reversal is reduced.

そこで、このようなことがSAF−フリー層構造を有する磁気抵抗効果素子に対しても言えるか否かを検討する。   Therefore, it is examined whether this can be said for a magnetoresistive effect element having a SAF-free layer structure.

図9及び図10は、SAF−フリー層構造の磁気抵抗効果素子から構成されるメモリセル構造の例を示している。
図9及び図10は、図3及び図4に対応する。
FIG. 9 and FIG. 10 show an example of a memory cell structure including a magnetoresistive effect element having a SAF-free layer structure.
9 and 10 correspond to FIGS. 3 and 4.

SAF−フリー層構造を採用すると、図11に示すように、アストロイド曲線は、磁化困難軸から離れた形となる。   When the SAF-free layer structure is adopted, as shown in FIG. 11, the astroid curve is separated from the hard axis of magnetization.

この場合、磁化反転に必要なスピン注入電流の電流密度は、磁化困難軸方向の磁場(アシスト磁場)Hhardによっては、ほとんど低減されなくなる。   In this case, the current density of the spin injection current necessary for the magnetization reversal is hardly reduced by the magnetic field (assist magnetic field) Hhard in the hard axis direction.

その原因は、スピン注入による書き込み原理と磁場による書き込み原理との違いにあると考えられる。スピン注入による書き込みでは、SAF−フリー層を構成する2つの磁性体の厚さの差は、小さいか、若しくは、零(2つの磁性体の厚さが同じ)であることが好ましい。   The cause is considered to be the difference between the writing principle by spin injection and the writing principle by magnetic field. In writing by spin injection, it is preferable that the difference between the thicknesses of the two magnetic bodies constituting the SAF-free layer is small or zero (the thicknesses of the two magnetic bodies are the same).

しかし、磁場による書き込みでは、SAF−フリー層を構成する2つの磁性体の厚さの差が小さいと、磁化反転が行い難くなる。特に、磁化困難軸方向の磁場Hhardのみが存在し、2つの磁性体の厚さが同じ場合には、2つの磁性体間に生じる磁気相互作用JEXにより、磁性スピンのモーメントの方向はより傾き難くなる。 However, in writing by a magnetic field, if the difference in thickness between the two magnetic bodies constituting the SAF-free layer is small, it is difficult to perform magnetization reversal. In particular, when only the magnetic field Hhard in the direction of the hard axis exists and the thickness of the two magnetic bodies is the same, the direction of the moment of magnetic spin is more inclined due to the magnetic interaction J EX that occurs between the two magnetic bodies. It becomes difficult.

スピン注入磁化反転による書き込み方式を前提とする場合、SAF−フリー層を構成する2つの磁性体の厚さの差Δtは、0nm ≦Δt≦ 2nmの範囲内に設定することが好ましい。2つの磁性体の厚さの差Δtが2nmを越えると、スピン注入効率が下がるためである。   When assuming a writing method by spin injection magnetization reversal, it is preferable to set the difference Δt between the thicknesses of two magnetic bodies constituting the SAF-free layer within a range of 0 nm ≦ Δt ≦ 2 nm. This is because the spin injection efficiency decreases when the difference Δt in thickness between the two magnetic bodies exceeds 2 nm.

この場合、図12に示すように、アシスト磁場 Hhardを、0→20→25[Oe]次第に大きくしていっても、磁化反転に必要なスピン注入電流の電流密度は、ほとんど低減されない。   In this case, as shown in FIG. 12, even if the assist magnetic field Hhard is gradually increased from 0 → 20 → 25 [Oe], the current density of the spin injection current necessary for magnetization reversal is hardly reduced.

従って、SAF−フリー層構造を有する磁気抵抗効果素子に対しては、単に、磁化困難軸方向のアシスト磁場を与えるだけでは、スピン注入電流の電流密度の低減という目的を達成できない。   Therefore, for the magnetoresistive effect element having the SAF-free layer structure, the purpose of reducing the current density of the spin injection current cannot be achieved simply by providing an assist magnetic field in the hard axis direction.

3. 実施の形態
以下の実施の形態では、特に、SAF−フリー層構造を有する磁気抵抗効果素子に対して、アシスト磁場による磁化反転のアシスト効果を最大に発揮させるための技術の例について説明する。
3. Embodiment
In the following embodiment, an example of a technique for maximizing the assist effect of magnetization reversal by an assist magnetic field will be described, particularly for a magnetoresistive effect element having a SAF-free layer structure.

尚、最大のアシスト効果を発揮する、という効果は、SAF−フリー層構造に限られず、フリー層が単層からなる構造(単層フリー)にも生じるため、これについても、後半において説明する。   In addition, since the effect of exhibiting the maximum assist effect is not limited to the SAF-free layer structure but also occurs in a structure in which the free layer is a single layer (single layer free), this will also be described later.

(1) 第1実施の形態
第1実施の形態は、磁気抵抗効果素子のレイアウトに関する。
(1) First embodiment
The first embodiment relates to a layout of a magnetoresistive effect element.

図13及び図14は、第1実施の形態に関わるレイアウトを示している。
図13は、図9に対応し、図14は、図10に対応する。
13 and 14 show layouts according to the first embodiment.
13 corresponds to FIG. 9, and FIG. 14 corresponds to FIG.

磁気抵抗効果素子MTJは、SAF−フリー層構造を有し、導電線(下部電極)13の一端上に配置される。導電線13に関して、図13の例では、カラム方向に延び、図14の例では、互いに直交するロウ方向とカラム方向との間の斜め方向に延びる。   The magnetoresistive element MTJ has a SAF-free layer structure and is disposed on one end of the conductive wire (lower electrode) 13. The conductive line 13 extends in the column direction in the example of FIG. 13, and extends in an oblique direction between the row direction and the column direction orthogonal to each other in the example of FIG.

導電線13の他端は、図9及び図10に示すように、スイッチ素子SWに接続される。上部ビット線BLuは、カラム方向に延びる。   The other end of the conductive wire 13 is connected to the switch element SW as shown in FIGS. The upper bit line BLu extends in the column direction.

磁気抵抗効果素子MTJの磁化容易軸と導電線13の長軸とのなす角度θは、0°<θ≦45°に設定される。   An angle θ formed by the easy axis of magnetization of the magnetoresistive element MTJ and the long axis of the conductive wire 13 is set to 0 ° <θ ≦ 45 °.

このようなレイアウトによれば、スピントルクにより磁化反転を行う際に、磁場による磁化反転のアシスト効果を最大にすることが可能となるため、スピン注入電流の電流密度を飛躍的に小さくできる。   According to such a layout, when performing magnetization reversal by spin torque, it becomes possible to maximize the assist effect of magnetization reversal by a magnetic field, so that the current density of the spin injection current can be drastically reduced.

図15は、磁気抵抗効果素子の磁化容易軸と導電線の長軸とのなす角度θが45°のときのアストロイド曲線を示している。
最も単純な場合、即ち、他の条件を考慮しない場合には、磁気抵抗効果素子の磁化容易軸と導電線の長軸とのなす角度θを45°にしたとき、アストロイド曲線の形状が最も窪むため、この時、アシスト磁場Hhardによる磁化反転のアシスト効果が最大となる。
FIG. 15 shows an astroid curve when the angle θ between the easy axis of magnetization of the magnetoresistive effect element and the long axis of the conductive wire is 45 °.
In the simplest case, that is, when other conditions are not taken into account, when the angle θ between the easy axis of the magnetoresistive element and the long axis of the conductive wire is 45 °, the shape of the astroid curve is the most. At this time, the assist effect of magnetization reversal by the assist magnetic field Hhard is maximized.

ところで、スピントルクの強さ(効率)は、図16に示すように、MR比(magneto- resistive ratio)に依存する。   Incidentally, the strength (efficiency) of the spin torque depends on the MR ratio (magneto-resistive ratio) as shown in FIG.

MR比が約50%以上のとき、スピントルクの強さは、ピンド層とフリー層とのスピン相対角度φの関数となり、一定範囲内で最大値をとる。そこで、SAF−フリー層構造を用いる場合には、角度θは、MR比に基づいて、スピントルクの強さが最大になる値に設定される。   When the MR ratio is about 50% or more, the spin torque strength is a function of the spin relative angle φ between the pinned layer and the free layer, and takes a maximum value within a certain range. Therefore, when the SAF-free layer structure is used, the angle θ is set to a value that maximizes the strength of the spin torque based on the MR ratio.

また、MR比が約50%未満のときには、磁気抵抗効果素子の磁化容易軸と導電線の長軸とのなす角度θは、アストロイド曲線の形状に基づいて、上述のように、45°にする。   When the MR ratio is less than about 50%, the angle θ formed between the easy axis of the magnetoresistive element and the long axis of the conductive wire is 45 ° based on the shape of the astroid curve as described above. To do.

従って、磁気抵抗効果素子の磁化容易軸と導電線の長軸とのなす角度θは、0°<θ≦45°の範囲内の値にする。   Therefore, the angle θ formed by the magnetization easy axis of the magnetoresistive effect element and the long axis of the conductive wire is set to a value within the range of 0 ° <θ ≦ 45 °.

(2) 第2実施の形態
第2実施の形態は、磁気抵抗効果素子の構造に関する。
(2) Second embodiment
The second embodiment relates to the structure of the magnetoresistive effect element.

図17(a),(b)は、磁気抵抗効果素子の第1例を示している。   FIGS. 17A and 17B show a first example of a magnetoresistive element.

同図(a)は、ボトムピン型である。   FIG. 4A shows a bottom pin type.

導電線(下部電極)M1上には、下地層が形成され、下地層上には、ピン層としての反強磁性層が形成される。反強磁性層上には、ピンド層としての強磁性層が形成され、ピンド層上には、トンネルバリア層を介して、SAF−フリー層が形成される。   An underlying layer is formed on the conductive line (lower electrode) M1, and an antiferromagnetic layer as a pinned layer is formed on the underlying layer. A ferromagnetic layer as a pinned layer is formed on the antiferromagnetic layer, and a SAF-free layer is formed on the pinned layer via a tunnel barrier layer.

SAF−フリー層は、2つの強磁性層と、これらの間の非磁性層とから構成され、2つの強磁性層の間に生じる磁気相互作用(反強磁性結合)の強さJEXは、0.52 erg/cm2 以上の値に設定される。 The SAF-free layer is composed of two ferromagnetic layers and a nonmagnetic layer between them, and the strength J EX of magnetic interaction (antiferromagnetic coupling) generated between the two ferromagnetic layers is: Set to 0.52 erg / cm 2 or higher.

この磁気相互作用の強さJEXの値が大きいと、磁気抵抗効果素子の熱安定性が向上すると共に、磁化反転をコヒーレント(coherent)に行うことができる。 When the value of the magnetic interaction strength J EX is large, the thermal stability of the magnetoresistive effect element is improved and the magnetization reversal can be performed coherently.

SAF−フリー層上には、保護層としてのキャップ(cap)層が形成される。   A cap layer as a protective layer is formed on the SAF-free layer.

同図(b)は、トップピン型である。   FIG. 4B shows a top pin type.

導電線(下部電極)M1上には、下地層が形成され、下地層上には、SAF−フリー層が形成される。SAF−フリー層は、2つの強磁性層と、これらの間の非磁性層とから構成され、2つの強磁性層の間に生じる磁気相互作用(反強磁性結合)の強さJEXは、0.52 erg/cm2 以上の値に設定される。 A base layer is formed on the conductive line (lower electrode) M1, and a SAF-free layer is formed on the base layer. The SAF-free layer is composed of two ferromagnetic layers and a nonmagnetic layer between them, and the strength J EX of magnetic interaction (antiferromagnetic coupling) generated between the two ferromagnetic layers is: Set to 0.52 erg / cm 2 or higher.

SAF−フリー層上には、トンネルバリア層を介して、ピンド層としての強磁性層が形成され、ピンド層上には、ピン層としての反強磁性層が形成される。反強磁性層上には、保護層としてのキャップ(cap)層が形成される。   A ferromagnetic layer as a pinned layer is formed on the SAF-free layer via a tunnel barrier layer, and an antiferromagnetic layer as a pinned layer is formed on the pinned layer. A cap layer as a protective layer is formed on the antiferromagnetic layer.

図18及び図19は、磁気抵抗効果素子の第2例を示している。   18 and 19 show a second example of the magnetoresistive effect element.

これら磁気抵抗効果素子の特徴は、フリー層の上下にピンド層を形成し、フリー層の上下に電子スピンの反射機能を付加することで磁化反転効率を向上させる点にある。   These magnetoresistive elements are characterized in that the pinned layers are formed above and below the free layer, and the electron spin reflection function is added above and below the free layer to improve the magnetization reversal efficiency.

図18は、ボトムピン型である。   FIG. 18 shows a bottom pin type.

導電線(下部電極)M1上には、下地層が形成され、下地層上には、ピン層としての反強磁性層が形成される。反強磁性層上には、ピンド層としての強磁性層が形成され、ピンド層上には、トンネルバリア層を介して、SAF−フリー層が形成される。   An underlying layer is formed on the conductive line (lower electrode) M1, and an antiferromagnetic layer as a pinned layer is formed on the underlying layer. A ferromagnetic layer as a pinned layer is formed on the antiferromagnetic layer, and a SAF-free layer is formed on the pinned layer via a tunnel barrier layer.

SAF−フリー層は、2つの強磁性層と、これらの間の非磁性層とから構成され、2つの強磁性層の間に生じる磁気相互作用(反強磁性結合)の強さJEXは、0.52 erg/cm2 以上の値に設定される。 The SAF-free layer is composed of two ferromagnetic layers and a nonmagnetic layer between them, and the strength J EX of magnetic interaction (antiferromagnetic coupling) generated between the two ferromagnetic layers is: Set to 0.52 erg / cm 2 or higher.

SAF−フリー層上には、非磁性層を介して、ピンド層が形成される。非磁性層は、トンネルバリア層よりも薄い誘電体層とルテニウム(Ru)とから構成される。ピンド層は、2つの強磁性層と、これらの間の非磁性層とから構成される。ピンド層を構成する2つの強磁性層の間に生じる磁気相互作用は、反強磁性結合であってもよいし、また、強磁性結合であってもよい。   A pinned layer is formed on the SAF-free layer via a nonmagnetic layer. The nonmagnetic layer is composed of a dielectric layer thinner than the tunnel barrier layer and ruthenium (Ru). The pinned layer is composed of two ferromagnetic layers and a nonmagnetic layer between them. The magnetic interaction generated between the two ferromagnetic layers constituting the pinned layer may be antiferromagnetic coupling or ferromagnetic coupling.

ピンド層上には、ピン層としての反強磁性層が形成され、反強磁性層上には、保護層としてのキャップ(cap)層が形成される。   An antiferromagnetic layer as a pinned layer is formed on the pinned layer, and a cap layer as a protective layer is formed on the antiferromagnetic layer.

図19は、トップピン型である。   FIG. 19 shows a top pin type.

導電線(下部電極)M1上には、下地層が形成され、下地層上には、ピン層としての反強磁性層が形成される。反強磁性層上には、ピンド層としての強磁性層が形成され、ピンド層上には、非磁性層を介して、SAF−フリー層が形成される。非磁性層は、ルテニウム(Ru)とトンネルバリア層よりも薄い誘電体層とから構成される。   An underlying layer is formed on the conductive line (lower electrode) M1, and an antiferromagnetic layer as a pinned layer is formed on the underlying layer. A ferromagnetic layer as a pinned layer is formed on the antiferromagnetic layer, and a SAF-free layer is formed on the pinned layer via a nonmagnetic layer. The nonmagnetic layer is composed of ruthenium (Ru) and a dielectric layer thinner than the tunnel barrier layer.

SAF−フリー層は、2つの強磁性層と、これらの間の非磁性層とから構成され、2つの強磁性層の間に生じる磁気相互作用(反強磁性結合)の強さJEXは、0.52 erg/cm2 以上の値に設定される。 The SAF-free layer is composed of two ferromagnetic layers and a nonmagnetic layer between them, and the strength J EX of magnetic interaction (antiferromagnetic coupling) generated between the two ferromagnetic layers is: Set to 0.52 erg / cm 2 or higher.

SAF−フリー層上には、トンネルバリア層を介して、ピンド層が形成される。ピンド層は、2つの強磁性層と、これらの間の非磁性層とから構成される。ピンド層を構成する2つの強磁性層の間に生じる磁気相互作用は、反強磁性結合であってもよいし、また、強磁性結合であってもよい。   A pinned layer is formed on the SAF-free layer via a tunnel barrier layer. The pinned layer is composed of two ferromagnetic layers and a nonmagnetic layer between them. The magnetic interaction generated between the two ferromagnetic layers constituting the pinned layer may be antiferromagnetic coupling or ferromagnetic coupling.

ピンド層上には、ピン層としての反強磁性層が形成され、反強磁性層上には、保護層としてのキャップ(cap)層が形成される。   An antiferromagnetic layer as a pinned layer is formed on the pinned layer, and a cap layer as a protective layer is formed on the antiferromagnetic layer.

第2例の磁気抵抗効果素子によれば、スピン反射層により、スピントルクがフリー層の上下でそれぞれ生じるため、磁化反転効率が向上し、スピン注入電流の電流密度の低減に貢献できる。   According to the magnetoresistive effect element of the second example, spin torque is generated above and below the free layer by the spin reflection layer, so that the magnetization reversal efficiency is improved and it is possible to contribute to the reduction of the current density of the spin injection current.

尚、スピン反射層としての非磁性層がRuから構成される場合には、2つのピン層の磁化方向(SAF結合している場合には、トンネルバリア層側の磁性層の磁化方向)を逆向きにするのが好ましい。   When the nonmagnetic layer as the spin reflection layer is made of Ru, the magnetization directions of the two pinned layers (in the case of SAF coupling, the magnetization directions of the magnetic layers on the tunnel barrier layer side) are reversed. The orientation is preferred.

また、スピン反射層としての非磁性層がCu, Ag, Auのうちの1つから構成される場合には、2つのピン層の磁化方向(SAF結合している場合には、トンネルバリア層側の磁性層の磁化方向)を同じ向きにするのが好ましい。   In addition, when the nonmagnetic layer as the spin reflection layer is composed of one of Cu, Ag, and Au, the magnetization directions of the two pinned layers (in the case of SAF coupling, the tunnel barrier layer side) It is preferable that the magnetization directions of the magnetic layers be the same.

図20及び図21は、磁気抵抗効果素子の第3例を示している。   20 and 21 show a third example of the magnetoresistive effect element.

これら磁気抵抗効果素子の特徴も、第2例と同様に、フリー層の上下にピンド層を形成する点にある。   Similar to the second example, these magnetoresistive elements are also characterized in that pinned layers are formed above and below the free layer.

図20は、ボトムピン型である。   FIG. 20 shows a bottom pin type.

導電線(下部電極)M1上には、下地層が形成され、下地層上には、ピン層としての反強磁性層が形成される。反強磁性層上には、ピンド層としての強磁性層が形成され、ピンド層上には、トンネルバリア層を介して、SAF−フリー層が形成される。   An underlying layer is formed on the conductive line (lower electrode) M1, and an antiferromagnetic layer as a pinned layer is formed on the underlying layer. A ferromagnetic layer as a pinned layer is formed on the antiferromagnetic layer, and a SAF-free layer is formed on the pinned layer via a tunnel barrier layer.

SAF−フリー層は、2つの強磁性層と、これらの間の非磁性層とから構成され、2つの強磁性層の間に生じる磁気相互作用(反強磁性結合)の強さJEXは、0.52 erg/cm2 以上の値に設定される。 The SAF-free layer is composed of two ferromagnetic layers and a nonmagnetic layer between them, and the strength J EX of magnetic interaction (antiferromagnetic coupling) generated between the two ferromagnetic layers is: Set to 0.52 erg / cm 2 or higher.

SAF−フリー層上には、非磁性層を介して、ピンド層が形成される。非磁性層は、トンネルバリア層よりも薄い誘電体層と、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)のグループから選択される1つの材料とから構成される。   A pinned layer is formed on the SAF-free layer via a nonmagnetic layer. The nonmagnetic layer includes a dielectric layer thinner than the tunnel barrier layer and one material selected from the group consisting of copper (Cu), silver (Ag), and gold (Au).

ピンド層上には、ピン層としての反強磁性層が形成され、反強磁性層上には、保護層としてのキャップ(cap)層が形成される。   An antiferromagnetic layer as a pinned layer is formed on the pinned layer, and a cap layer as a protective layer is formed on the antiferromagnetic layer.

図21は、トップピン型である。   FIG. 21 shows a top pin type.

導電線(下部電極)M1上には、下地層が形成され、下地層上には、ピン層としての反強磁性層が形成される。反強磁性層上には、ピンド層としての強磁性層が形成され、ピンド層上には、非磁性層を介して、SAF−フリー層が形成される。非磁性層は、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)のグループから選択される1つの材料と、トンネルバリア層よりも薄い誘電体層とから構成される。   An underlying layer is formed on the conductive line (lower electrode) M1, and an antiferromagnetic layer as a pinned layer is formed on the underlying layer. A ferromagnetic layer as a pinned layer is formed on the antiferromagnetic layer, and a SAF-free layer is formed on the pinned layer via a nonmagnetic layer. The nonmagnetic layer is composed of one material selected from the group consisting of copper (Cu), silver (Ag), and gold (Au), and a dielectric layer that is thinner than the tunnel barrier layer.

SAF−フリー層は、2つの強磁性層と、これらの間の非磁性層とから構成され、2つの強磁性層の間に生じる磁気相互作用(反強磁性結合)の強さJEXは、0.52 erg/cm2 以上の値に設定される。 The SAF-free layer is composed of two ferromagnetic layers and a nonmagnetic layer between them, and the strength J EX of magnetic interaction (antiferromagnetic coupling) generated between the two ferromagnetic layers is: Set to 0.52 erg / cm 2 or higher.

SAF−フリー層上には、トンネルバリア層を介して、ピンド層が形成される。ピンド層上には、ピン層としての反強磁性層が形成され、反強磁性層上には、保護層としてのキャップ(cap)層が形成される。   A pinned layer is formed on the SAF-free layer via a tunnel barrier layer. An antiferromagnetic layer as a pinned layer is formed on the pinned layer, and a cap layer as a protective layer is formed on the antiferromagnetic layer.

第3例の磁気抵抗効果素子においても、スピン反射層により、スピントルクがフリー層の上下でそれぞれ生じるため、磁化反転効率が向上し、スピン注入電流の電流密度の低減に貢献できる。   Also in the magnetoresistive element of the third example, the spin reflection layer causes the spin torque to be generated above and below the free layer, so that the magnetization reversal efficiency can be improved and the current density of the spin injection current can be reduced.

尚、スピン反射層としての非磁性層がCu, Ag, Auのうちの1つから構成される場合には、2つのピン層の磁化方向(SAF結合している場合には、トンネルバリア層側の磁性層の磁化方向)を同じ向きにするのが好ましい。   When the nonmagnetic layer as the spin reflection layer is composed of one of Cu, Ag, and Au, the magnetization directions of the two pinned layers (on the tunnel barrier layer side in the case of SAF coupling) It is preferable that the magnetization directions of the magnetic layers be the same.

また、スピン反射層としての非磁性層がRuから構成される場合には、2つのピン層の磁化方向(SAF結合している場合には、トンネルバリア層側の磁性層の磁化方向)を逆向きにするのが好ましい。   When the nonmagnetic layer as the spin reflection layer is made of Ru, the magnetization directions of the two pinned layers (in the case of SAF coupling, the magnetization direction of the magnetic layer on the tunnel barrier layer side) are reversed. The orientation is preferred.

(3) 第3実施の形態
第3実施の形態は、メモリセルアレイ構造に関する。
(3) Third embodiment
The third embodiment relates to a memory cell array structure.

図22は、第3実施の形態に関わるメモリセルアレイを示している。   FIG. 22 shows a memory cell array according to the third embodiment.

メモリセルは、直列接続される磁気抵抗効果素子MTJとスイッチ素子(例えば、MISFET)SWとから構成される。   The memory cell includes a magnetoresistive element MTJ and a switch element (for example, MISFET) SW connected in series.

ワード線WLは、ロウ方向に延び、スイッチ素子SWの制御端子に接続される。ワード線WLの一端は、ワード線ドライバ・デコーダ15に接続される。   The word line WL extends in the row direction and is connected to the control terminal of the switch element SW. One end of the word line WL is connected to the word line driver / decoder 15.

上部ビット線BLuは、カラム方向に延び、磁気抵抗効果素子MTJに接続される。上部ビット線BLuの一端は、スイッチ素子(例えば、MISFET)ST1を経由して、ビット線ドライバ/シンカー・デコーダ16に接続される。スイッチ素子ST1のオン/オフは、例えば、書き込み制御信号Wにより制御される。   The upper bit line BLu extends in the column direction and is connected to the magnetoresistive element MTJ. One end of the upper bit line BLu is connected to the bit line driver / sinker decoder 16 via a switch element (for example, MISFET) ST1. On / off of the switch element ST1 is controlled by, for example, a write control signal W.

上部ビット線BLuの他端は、スイッチ素子(例えば、MISFET)ST2を経由して、センスアンプS/Aに接続される。スイッチ素子ST2のオン/オフは、例えば、カラム選択信号CSL1,・・・CSLnにより制御される。センスアンプS/Aは、例えば、差動アンプから構成される。   The other end of the upper bit line BLu is connected to a sense amplifier S / A via a switch element (for example, MISFET) ST2. On / off of the switch element ST2 is controlled by, for example, column selection signals CSL1,... CSLn. The sense amplifier S / A is composed of, for example, a differential amplifier.

下部ビット線BLdは、カラム方向に延び、スイッチ素子SWに接続される。下部ビット線BLdの一端は、スイッチ素子(例えば、MISFET)ST3を経由して、ビット線ドライバ/シンカー・デコーダ17に接続される。スイッチ素子ST3のオン/オフは、例えば、書き込み制御信号Wにより制御される。   The lower bit line BLd extends in the column direction and is connected to the switch element SW. One end of the lower bit line BLd is connected to the bit line driver / sinker decoder 17 via a switch element (for example, MISFET) ST3. On / off of the switch element ST3 is controlled by a write control signal W, for example.

下部ビット線BLdの他端は、スイッチ素子(例えば、MISFET)ST4を経由して、接地点に接続される。スイッチ素子ST4のオン/オフは、例えば、読み出し制御信号Rにより制御される。   The other end of the lower bit line BLd is connected to a ground point via a switch element (for example, MISFET) ST4. On / off of the switch element ST4 is controlled by, for example, a read control signal R.

図23は、図22のメモリセルアレイを具体化したものである。   FIG. 23 is an embodiment of the memory cell array of FIG.

磁気抵抗効果素子MTJは、導電線(下部電極)13と上部ビット線BLuとの間に配置される。磁気抵抗効果素子MTJの磁化容易軸と導電線13の長軸とのなす角度θは、0°<θ≦45°の範囲内の値に設定される。   The magnetoresistive element MTJ is disposed between the conductive line (lower electrode) 13 and the upper bit line BLu. The angle θ formed by the easy axis of magnetization of the magnetoresistive element MTJ and the long axis of the conductive wire 13 is set to a value in the range of 0 ° <θ ≦ 45 °.

ビット線ドライバ/シンカー・デコーダ16は、電源端子Vdd,Vssの間に直列接続されるPチャネルMISFET P1及びNチャネルMISFET N1から構成される。   The bit line driver / sinker decoder 16 includes a P-channel MISFET P1 and an N-channel MISFET N1 connected in series between power supply terminals Vdd and Vss.

ビット線ドライバ/シンカー・デコーダ17は、電源端子Vdd,Vssの間に直列接続されるPチャネルMISFET P2及びNチャネルMISFET N2から構成される。   The bit line driver / sinker decoder 17 includes a P-channel MISFET P2 and an N-channel MISFET N2 connected in series between power supply terminals Vdd and Vss.

書き込み時には、書き込み制御信号Wが“H”になり、読み出し制御信号R及び全てのカラム選択信号CSLiが“L”になる。また、選択されたロウに対応するワード線WLのレベルが“H”になり、その他のワード線のレベルは、“L”を維持する。   At the time of writing, the write control signal W becomes “H”, and the read control signal R and all the column selection signals CSLi become “L”. Further, the level of the word line WL corresponding to the selected row becomes “H”, and the levels of the other word lines maintain “L”.

制御信号A,Cが“L”、制御信号B,Dが“H”のとき、スピン注入電流は、ビット線ドライバ/シンカー・デコーダ16からビット線ドライバ/シンカー・デコーダ17に向かって流れる。   When the control signals A and C are “L” and the control signals B and D are “H”, the spin injection current flows from the bit line driver / sinker decoder 16 toward the bit line driver / sinker decoder 17.

制御信号A,Cが“H”、制御信号B,Dが“L”のとき、スピン注入電流は、ビット線ドライバ/シンカー・デコーダ17からビット線ドライバ/シンカー・デコーダ16に向かって流れる。   When the control signals A and C are “H” and the control signals B and D are “L”, the spin injection current flows from the bit line driver / sinker decoder 17 toward the bit line driver / sinker decoder 16.

読み出し時には、読み出し制御信号Rが“H”になり、書き込み制御信号Wが“L”になる。また、選択されたロウに対応するワード線WLのレベル及び選択されたカラムに対応するカラム選択信号CSLiがそれぞれ“H”になり、その他のワード線のレベル及びカラム選択信号は、“L”を維持する。   At the time of reading, the read control signal R becomes “H” and the write control signal W becomes “L”. Further, the level of the word line WL corresponding to the selected row and the column selection signal CSLi corresponding to the selected column are set to “H”, and the level of other word lines and the column selection signal are set to “L”. maintain.

読み出し電流は、例えば、センスアンプS/Aからスイッチ素子ST4を経由して接地点に向かって流れる。読み出し電位Vrの値は、磁気抵抗効果素子MTJの磁化状態に応じて変化するため、これを参照電位Vrefと比較することにより、データ値を判定する。   For example, the read current flows from the sense amplifier S / A toward the ground point via the switch element ST4. Since the value of the read potential Vr changes according to the magnetization state of the magnetoresistive effect element MTJ, the data value is determined by comparing this with the reference potential Vref.

(4) 第4実施の形態
第4実施の形態は、磁化反転メカニズムに関する。
(4) Fourth embodiment
The fourth embodiment relates to a magnetization reversal mechanism.

図24は、メモリセル構造の例を示している。
磁化反転メカニズムは、様々なファクターによって変わるので、ここでは、特に、磁気抵抗効果素子MTJの構造(ボトムピン型又はトップピン型)と、ピンド層の磁化方向とに着目し、磁化反転メカニズムを説明する。
FIG. 24 shows an example of a memory cell structure.
Since the magnetization reversal mechanism varies depending on various factors, here, the magnetization reversal mechanism will be described with particular attention to the structure (bottom pin type or top pin type) of the magnetoresistive effect element MTJ and the magnetization direction of the pinned layer. .

A. ボトムピン型(ピンド層右向き)
図25及び図26は、ボトムピン型(ピンド層右向き)の磁気抵抗効果素子に対する磁化反転メカニズムを示している。
A. Bottom pin type (pinned layer facing right)
25 and 26 show a magnetization reversal mechanism for a bottom pin type (pinned layer rightward) magnetoresistive effect element.

ここで、説明を簡単にするため、フリー層の磁化容易軸とピンド層の磁化容易軸とは実質的に同じ方向を向いていると仮定する。   Here, to simplify the explanation, it is assumed that the easy axis of the free layer and the easy axis of the pinned layer are substantially in the same direction.

ピンド層右向きとは、ピンド層の磁化が導電線13の他端側(スイッチ素子SWが接続される側)よりも一端側(磁気抵抗効果素子MTJが配置される側)に近い方向を向いている状態をいう。また、ピンド層がSAF構造を有している場合には、ピンド層の磁化とは、ピンド層のフリー層側の磁性体の磁化のことをいう。   The right direction of the pinned layer means that the magnetization of the pinned layer is closer to one end side (side where the magnetoresistive effect element MTJ is disposed) than the other end side (side to which the switch element SW is connected) of the conductive wire 13. The state that is. When the pinned layer has a SAF structure, the magnetization of the pinned layer means the magnetization of the magnetic material on the free layer side of the pinned layer.

磁気抵抗効果素子MTJがボトムピン型(ピンド層右向き)の場合、磁気抵抗効果素子MTJのフリー層のピンド層側の磁性体の磁化容易軸は、その上面からみて(上部ビット線側から導電線13側をみて)、導電線(下部電極)13の長軸と一致した状態から左回転で角度θ(0<θ≦45°)だけ傾ける。   When the magnetoresistive effect element MTJ is a bottom pin type (pinned layer rightward), the magnetization easy axis of the magnetic material on the pinned layer side of the free layer of the magnetoresistive effect element MTJ is viewed from the upper surface (from the upper bit line side to the conductive line 13 From the state where it coincides with the long axis of the conductive wire (lower electrode) 13, it is tilted by an angle θ (0 <θ ≦ 45 °) by counterclockwise rotation.

そして、磁気抵抗効果素子MTJの磁化状態を反平行状態から平行状態にするときは、図25に示すように、スピン注入電流Isを導電線13の一端から他端に向かって流す。ここで、上述のように、導電線13の一端とは、磁気抵抗効果素子MTJが配置される側の端部であり、他端とは、スイッチ素子SWが接続される側の端部である。   Then, when changing the magnetization state of the magnetoresistive effect element MTJ from the antiparallel state to the parallel state, the spin injection current Is flows from one end of the conductive line 13 toward the other end as shown in FIG. Here, as described above, one end of the conductive wire 13 is an end portion on the side where the magnetoresistive effect element MTJ is disposed, and the other end is an end portion on the side where the switch element SW is connected. .

この場合、スピン注入電流Isにより発生するスピン偏極された電子の流れ(スピン流)は、磁気抵抗効果素子MTJのピンド層からフリー層に向かう。この時、ピンド層内の電子スピンと同じ向きに偏極された電子スピンは、SAF−フリー層のトンネルバリア層側の磁性体内の電子スピンにトルクを与える。   In this case, the flow of spin-polarized electrons (spin flow) generated by the spin injection current Is is directed from the pinned layer to the free layer of the magnetoresistive effect element MTJ. At this time, the electron spin polarized in the same direction as the electron spin in the pinned layer gives torque to the electron spin in the magnetic body on the tunnel barrier layer side of the SAF-free layer.

これと同時に、スピン注入電流Isにより発生する磁場Hは、導電線13の一端から他端をみた場合に、磁気抵抗効果素子MTJに対して右向きに作用する。この磁場Hの方向は、磁化反転のスタート時において、SAF−フリー層の2つの磁性体のうち大きな体積を持つ磁性体内の電子スピンの向き(磁化方向)に対して90°<相対角x≦135°となる方向である。   At the same time, the magnetic field H generated by the spin injection current Is acts rightward with respect to the magnetoresistive effect element MTJ when the other end of the conductive line 13 is viewed. The direction of the magnetic field H is 90 ° <relative angle x ≦ with respect to the direction (magnetization direction) of electron spin in the magnetic body having a large volume of the two magnetic bodies of the SAF-free layer at the start of magnetization reversal. The direction is 135 °.

従って、小さな電流密度でSAF−フリー層の磁化が反転し、磁気抵抗効果素子MTJの磁化状態が反平行状態から平行状態になる。   Therefore, the magnetization of the SAF-free layer is reversed at a small current density, and the magnetization state of the magnetoresistive effect element MTJ is changed from the antiparallel state to the parallel state.

また、磁気抵抗効果素子MTJの磁化状態を平行状態から反平行状態にするときは、図26に示すように、スピン注入電流Isを導電線13の他端から一端に向かって流す。ここで、導電線13の一端及び他端については、図25で定義した通りである。   In order to change the magnetization state of the magnetoresistive effect element MTJ from the parallel state to the antiparallel state, as shown in FIG. 26, the spin injection current Is flows from the other end of the conductive wire 13 toward one end. Here, one end and the other end of the conductive wire 13 are as defined in FIG.

この場合、スピン注入電流Isにより発生するスピン偏極された電子の流れ(スピン流)は、磁気抵抗効果素子MTJのフリー層からピンド層に向かう。この時、ピンド層内の電子スピンと逆向きに偏極された電子スピンは、ピンド層で反射され、SAF−フリー層のトンネルバリア層側の磁性体内の電子スピンにトルクを与える。   In this case, the spin-polarized electron flow (spin flow) generated by the spin injection current Is is directed from the free layer to the pinned layer of the magnetoresistive element MTJ. At this time, the electron spin polarized in the direction opposite to the electron spin in the pinned layer is reflected by the pinned layer and gives torque to the electron spin in the magnetic body on the tunnel barrier layer side of the SAF-free layer.

これと同時に、スピン注入電流Isにより発生する磁場Hは、導電線13の他端から一端をみた場合に、磁気抵抗効果素子MTJに対して右向きに作用する。この磁場Hの方向は、磁化反転のスタート時において、SAF−フリー層の2つの磁性体のうち大きな体積を持つ磁性体内の電子スピンの向き(磁化方向)に対して90°<相対角x≦135°となる方向である。   At the same time, the magnetic field H generated by the spin injection current Is acts rightward with respect to the magnetoresistive effect element MTJ when one end is viewed from the other end of the conductive line 13. The direction of the magnetic field H is 90 ° <relative angle x ≦ with respect to the direction (magnetization direction) of electron spin in the magnetic body having a large volume of the two magnetic bodies of the SAF-free layer at the start of magnetization reversal. The direction is 135 °.

従って、小さな電流密度でSAF−フリー層の磁化が反転し、磁気抵抗効果素子MTJの磁化状態が平行状態から反平行状態になる。   Therefore, the magnetization of the SAF-free layer is reversed at a small current density, and the magnetization state of the magnetoresistive element MTJ changes from the parallel state to the antiparallel state.

B. ボトムピン型(ピンド層左向き)
図27及び図28は、ボトムピン型(ピンド層左向き)の磁気抵抗効果素子に対する磁化反転メカニズムを示している。
B. Bottom pin type (pinned layer left)
27 and 28 show a magnetization reversal mechanism for a bottom pin type (pinned layer leftward) magnetoresistive effect element.

ここで、説明を簡単にするため、フリー層の磁化容易軸とピンド層の磁化容易軸とは実質的に同じ方向を向いていると仮定する。   Here, to simplify the explanation, it is assumed that the easy axis of the free layer and the easy axis of the pinned layer are substantially in the same direction.

ピンド層左向きとは、ピンド層の磁化が導電線13の一端側(磁気抵抗効果素子MTJが配置される側)よりも他端側(スイッチ素子SWが接続される側)に近い方向を向いている状態をいう。また、ピンド層がSAF構造を有している場合には、ピンド層の磁化とは、ピンド層のフリー層側の磁性体の磁化のことをいう。   The leftward direction of the pinned layer refers to the direction in which the magnetization of the pinned layer is closer to the other end side (side to which the switch element SW is connected) than to one end side (side where the magnetoresistive effect element MTJ is disposed) of the conductive wire 13. The state that is. When the pinned layer has a SAF structure, the magnetization of the pinned layer means the magnetization of the magnetic material on the free layer side of the pinned layer.

磁気抵抗効果素子MTJがボトムピン型(ピンド層左向き)の場合、磁気抵抗効果素子MTJのフリー層のピンド層側の磁性体の磁化容易軸は、その上面からみて(上部ビット線側から導電線13側をみて)、導電線(下部電極)13の長軸と一致した状態から右回転で角度θ(0<θ≦45°)だけ傾ける。   When the magnetoresistive effect element MTJ is a bottom pin type (leftward of the pinned layer), the magnetization easy axis of the magnetic body on the pinned layer side of the free layer of the magnetoresistive effect element MTJ is viewed from the upper surface (the conductive line 13 from the upper bit line side). From the state where it coincides with the long axis of the conductive wire (lower electrode) 13, it is tilted by an angle θ (0 <θ ≦ 45 °) by rotating clockwise.

そして、磁気抵抗効果素子MTJの磁化状態を反平行状態から平行状態にするときは、図27に示すように、スピン注入電流Isを導電線13の一端から他端に向かって流す。   Then, when changing the magnetization state of the magnetoresistive effect element MTJ from the antiparallel state to the parallel state, the spin injection current Is flows from one end of the conductive line 13 toward the other end as shown in FIG.

この場合、スピン注入電流Isにより発生するスピン偏極された電子の流れ(スピン流)は、磁気抵抗効果素子MTJのピンド層からフリー層に向かう。この時、ピンド層内の電子スピンと同じ向きに偏極された電子スピンは、SAF−フリー層のトンネルバリア層側の磁性体内の電子スピンにトルクを与える。   In this case, the flow of spin-polarized electrons (spin flow) generated by the spin injection current Is is directed from the pinned layer to the free layer of the magnetoresistive effect element MTJ. At this time, the electron spin polarized in the same direction as the electron spin in the pinned layer gives torque to the electron spin in the magnetic body on the tunnel barrier layer side of the SAF-free layer.

これと同時に、スピン注入電流Isにより発生する磁場Hは、導電線13の一端から他端をみた場合に、磁気抵抗効果素子MTJに対して右向きに作用する。この磁場Hの方向は、磁化反転のスタート時において、SAF−フリー層の2つの磁性体のうち大きな体積を持つ磁性体内の電子スピンの向き(磁化方向)に対して90°<相対角x≦135°となる方向である。   At the same time, the magnetic field H generated by the spin injection current Is acts rightward with respect to the magnetoresistive effect element MTJ when the other end of the conductive line 13 is viewed. The direction of the magnetic field H is 90 ° <relative angle x ≦ with respect to the direction (magnetization direction) of electron spin in the magnetic body having a large volume of the two magnetic bodies of the SAF-free layer at the start of magnetization reversal. The direction is 135 °.

従って、小さな電流密度でSAF−フリー層の磁化が反転し、磁気抵抗効果素子MTJの磁化状態が反平行状態から平行状態になる。   Therefore, the magnetization of the SAF-free layer is reversed at a small current density, and the magnetization state of the magnetoresistive effect element MTJ is changed from the antiparallel state to the parallel state.

また、磁気抵抗効果素子MTJの磁化状態を平行状態から反平行状態にするときは、図28に示すように、スピン注入電流Isを導電線13の他端から一端に向かって流す。   In order to change the magnetization state of the magnetoresistive effect element MTJ from the parallel state to the antiparallel state, the spin injection current Is flows from the other end of the conductive line 13 toward one end as shown in FIG.

この場合、スピン注入電流Isにより発生するスピン偏極された電子の流れ(スピン流)は、磁気抵抗効果素子MTJのフリー層からピンド層に向かう。この時、ピンド層内の電子スピンと逆向きに偏極された電子スピンは、ピンド層で反射され、SAF−フリー層のトンネルバリア層側の磁性体内の電子スピンにトルクを与える。   In this case, the spin-polarized electron flow (spin flow) generated by the spin injection current Is is directed from the free layer to the pinned layer of the magnetoresistive element MTJ. At this time, the electron spin polarized in the direction opposite to the electron spin in the pinned layer is reflected by the pinned layer and gives torque to the electron spin in the magnetic body on the tunnel barrier layer side of the SAF-free layer.

これと同時に、スピン注入電流Isにより発生する磁場Hは、導電線13の他端から一端をみた場合に、磁気抵抗効果素子MTJに対して右向きに作用する。この磁場Hの方向は、磁化反転のスタート時において、SAF−フリー層の2つの磁性体のうち大きな体積を持つ磁性体内の電子スピンの向き(磁化方向)に対して90°<相対角x≦135°となる方向である。   At the same time, the magnetic field H generated by the spin injection current Is acts rightward with respect to the magnetoresistive effect element MTJ when one end is viewed from the other end of the conductive line 13. The direction of the magnetic field H is 90 ° <relative angle x ≦ with respect to the direction (magnetization direction) of electron spin in the magnetic body having a large volume of the two magnetic bodies of the SAF-free layer at the start of magnetization reversal. The direction is 135 °.

従って、小さな電流密度でSAF−フリー層の磁化が反転し、磁気抵抗効果素子MTJの磁化状態が平行状態から反平行状態になる。   Therefore, the magnetization of the SAF-free layer is reversed at a small current density, and the magnetization state of the magnetoresistive element MTJ changes from the parallel state to the antiparallel state.

C. トップピン型(ピンド層右向き)
図29及び図30は、トップピン型(ピンド層右向き)の磁気抵抗効果素子に対する磁化反転メカニズムを示している。
C. Top pin type (pinned layer facing right)
29 and 30 show a magnetization reversal mechanism for a top pin type (pinned layer rightward) magnetoresistive effect element.

フリー層の磁化容易軸とピンド層の磁化容易軸とは実質的に同じ方向を向いていると仮定する。また、ピンド層右向きの定義は、上述と同じとする。   It is assumed that the easy axis of the free layer and the easy axis of the pinned layer are oriented in substantially the same direction. The definition of the pinned layer facing right is the same as described above.

磁気抵抗効果素子MTJがトップピン型(ピンド層右向き)の場合、磁気抵抗効果素子MTJのフリー層のピンド層側の磁性体の磁化容易軸は、その上面からみて(上部ビット線側から導電線13側をみて)、導電線(下部電極)13の長軸と一致した状態から右回転で角度θ(0<θ≦45°)だけ傾ける。   When the magnetoresistive effect element MTJ is a top pin type (pinned layer rightward), the magnetization easy axis of the magnetic material on the pinned layer side of the free layer of the magnetoresistive effect element MTJ is viewed from the top surface (from the upper bit line side to the conductive line). From the state where the long axis of the conductive wire (lower electrode) 13 coincides with the conductive wire (lower electrode) 13, it is inclined clockwise by an angle θ (0 <θ ≦ 45 °).

そして、磁気抵抗効果素子MTJの磁化状態を反平行状態から平行状態にするときは、図29に示すように、スピン注入電流Isを導電線13の他端から一端に向かって流す。ここで、導電線13の一端及び他端については、図25で定義した通りである。   When the magnetization state of the magnetoresistive element MTJ is changed from the antiparallel state to the parallel state, the spin injection current Is flows from the other end of the conductive line 13 toward one end as shown in FIG. Here, one end and the other end of the conductive wire 13 are as defined in FIG.

この場合、スピン注入電流Isにより発生するスピン偏極された電子の流れ(スピン流)は、磁気抵抗効果素子MTJのピンド層からフリー層に向かう。この時、ピンド層内の電子スピンと同じ向きに偏極された電子スピンは、SAF−フリー層のトンネルバリア層側の磁性体内の電子スピンにトルクを与える。   In this case, the flow of spin-polarized electrons (spin flow) generated by the spin injection current Is is directed from the pinned layer to the free layer of the magnetoresistive effect element MTJ. At this time, the electron spin polarized in the same direction as the electron spin in the pinned layer gives torque to the electron spin in the magnetic body on the tunnel barrier layer side of the SAF-free layer.

これと同時に、スピン注入電流Isにより発生する磁場Hは、導電線13の他端から一端をみた場合に、磁気抵抗効果素子MTJに対して右向きに作用する。この磁場Hの方向は、磁化反転のスタート時において、SAF−フリー層の2つの磁性体のうち大きな体積を持つ磁性体内の電子スピンの向き(磁化方向)に対して90°<相対角x≦135°となる方向である。   At the same time, the magnetic field H generated by the spin injection current Is acts rightward with respect to the magnetoresistive effect element MTJ when one end is viewed from the other end of the conductive line 13. The direction of the magnetic field H is 90 ° <relative angle x ≦ with respect to the direction (magnetization direction) of electron spin in the magnetic body having a large volume of the two magnetic bodies of the SAF-free layer at the start of magnetization reversal. The direction is 135 °.

従って、小さな電流密度でSAF−フリー層の磁化が反転し、磁気抵抗効果素子MTJの磁化状態が反平行状態から平行状態になる。   Therefore, the magnetization of the SAF-free layer is reversed at a small current density, and the magnetization state of the magnetoresistive effect element MTJ is changed from the antiparallel state to the parallel state.

また、磁気抵抗効果素子MTJの磁化状態を平行状態から反平行状態にするときは、図30に示すように、スピン注入電流Isを導電線13の一端から他端に向かって流す。   Further, when the magnetization state of the magnetoresistive element MTJ is changed from the parallel state to the antiparallel state, the spin injection current Is flows from one end of the conductive line 13 toward the other end as shown in FIG.

この場合、スピン注入電流Isにより発生するスピン偏極された電子の流れ(スピン流)は、磁気抵抗効果素子MTJのフリー層からピンド層に向かう。この時、ピンド層内の電子スピンと逆向きに偏極された電子スピンは、ピンド層で反射され、SAF−フリー層のトンネルバリア層側の磁性体内の電子スピンにトルクを与える。   In this case, the spin-polarized electron flow (spin flow) generated by the spin injection current Is is directed from the free layer to the pinned layer of the magnetoresistive element MTJ. At this time, the electron spin polarized in the direction opposite to the electron spin in the pinned layer is reflected by the pinned layer and gives torque to the electron spin in the magnetic body on the tunnel barrier layer side of the SAF-free layer.

これと同時に、スピン注入電流Isにより発生する磁場Hは、導電線13の一端から他端をみた場合に、磁気抵抗効果素子MTJに対して右向きに作用する。この磁場Hの方向は、磁化反転のスタート時において、SAF−フリー層の2つの磁性体のうち大きな体積を持つ磁性体内の電子スピンの向き(磁化方向)に対して90°<相対角x≦135°となる方向である。   At the same time, the magnetic field H generated by the spin injection current Is acts rightward with respect to the magnetoresistive effect element MTJ when the other end of the conductive line 13 is viewed. The direction of the magnetic field H is 90 ° <relative angle x ≦ with respect to the direction (magnetization direction) of electron spin in the magnetic body having a large volume of the two magnetic bodies of the SAF-free layer at the start of magnetization reversal. The direction is 135 °.

従って、小さな電流密度でSAF−フリー層の磁化が反転し、磁気抵抗効果素子MTJの磁化状態が平行状態から反平行状態になる。   Therefore, the magnetization of the SAF-free layer is reversed at a small current density, and the magnetization state of the magnetoresistive element MTJ changes from the parallel state to the antiparallel state.

C. トップピン型(ピンド層左向き)
図31及び図32は、トップピン型(ピンド層左向き)の磁気抵抗効果素子に対する磁化反転メカニズムを示している。
C. Top pin type (pinned layer facing left)
31 and 32 show a magnetization reversal mechanism for a top pin type (pinned layer leftward) magnetoresistive effect element.

フリー層の磁化容易軸とピンド層の磁化容易軸とは実質的に同じ方向を向いていると仮定する。また、ピンド層左向きの定義は、上述と同じとする。   It is assumed that the easy axis of the free layer and the easy axis of the pinned layer are oriented in substantially the same direction. The definition of the pinned layer facing left is the same as described above.

磁気抵抗効果素子MTJがトップピン型(ピンド層左向き)の場合、磁気抵抗効果素子MTJのフリー層のピンド層側の磁性体の磁化容易軸は、その上面からみて(上部ビット線側から導電線13側をみて)、導電線(下部電極)13の長軸と一致した状態から左回転で角度θ(0<θ≦45°)だけ傾ける。   When the magnetoresistive effect element MTJ is a top pin type (pinned layer leftward), the magnetization easy axis of the magnetic material on the pinned layer side of the free layer of the magnetoresistive effect element MTJ is viewed from the top surface (from the upper bit line side to the conductive line). From the state of matching the long axis of the conductive wire (lower electrode) 13, the counterclockwise tilt is made by an angle θ (0 <θ ≦ 45 °).

そして、磁気抵抗効果素子MTJの磁化状態を反平行状態から平行状態にするときは、図31に示すように、スピン注入電流Isを導電線13の他端から一端に向かって流す。   Then, when changing the magnetization state of the magnetoresistive effect element MTJ from the antiparallel state to the parallel state, the spin injection current Is flows from the other end of the conductive wire 13 toward one end as shown in FIG.

この場合、スピン注入電流Isにより発生するスピン偏極された電子の流れ(スピン流)は、磁気抵抗効果素子MTJのピンド層からフリー層に向かう。この時、ピンド層内の電子スピンと同じ向きに偏極された電子スピンは、SAF−フリー層のトンネルバリア層側の磁性体内の電子スピンにトルクを与える。   In this case, the flow of spin-polarized electrons (spin flow) generated by the spin injection current Is is directed from the pinned layer to the free layer of the magnetoresistive effect element MTJ. At this time, the electron spin polarized in the same direction as the electron spin in the pinned layer gives torque to the electron spin in the magnetic body on the tunnel barrier layer side of the SAF-free layer.

これと同時に、スピン注入電流Isにより発生する磁場Hは、導電線13の他端から一端をみた場合に、磁気抵抗効果素子MTJに対して右向きに作用する。この磁場Hの方向は、磁化反転のスタート時において、SAF−フリー層の2つの磁性体のうち大きな体積を持つ磁性体内の電子スピンの向き(磁化方向)に対して90°<相対角x≦135°となる方向である。   At the same time, the magnetic field H generated by the spin injection current Is acts rightward with respect to the magnetoresistive effect element MTJ when one end is viewed from the other end of the conductive line 13. The direction of the magnetic field H is 90 ° <relative angle x ≦ with respect to the direction (magnetization direction) of electron spin in the magnetic body having a large volume of the two magnetic bodies of the SAF-free layer at the start of magnetization reversal. The direction is 135 °.

従って、小さな電流密度でSAF−フリー層の磁化が反転し、磁気抵抗効果素子MTJの磁化状態が反平行状態から平行状態になる。   Therefore, the magnetization of the SAF-free layer is reversed at a small current density, and the magnetization state of the magnetoresistive effect element MTJ is changed from the antiparallel state to the parallel state.

また、磁気抵抗効果素子MTJの磁化状態を平行状態から反平行状態にするときは、図32に示すように、スピン注入電流Isを導電線13の一端から他端に向かって流す。   Further, when the magnetization state of the magnetoresistive element MTJ is changed from the parallel state to the antiparallel state, the spin injection current Is is caused to flow from one end of the conductive line 13 toward the other end as shown in FIG.

この場合、スピン注入電流Isにより発生するスピン偏極された電子の流れ(スピン流)は、磁気抵抗効果素子MTJのフリー層からピンド層に向かう。この時、ピンド層内の電子スピンと逆向きに偏極された電子スピンは、ピンド層で反射され、SAF−フリー層のトンネルバリア層側の磁性体内の電子スピンにトルクを与える。   In this case, the spin-polarized electron flow (spin flow) generated by the spin injection current Is is directed from the free layer to the pinned layer of the magnetoresistive element MTJ. At this time, the electron spin polarized in the direction opposite to the electron spin in the pinned layer is reflected by the pinned layer and gives torque to the electron spin in the magnetic body on the tunnel barrier layer side of the SAF-free layer.

これと同時に、スピン注入電流Isにより発生する磁場Hは、導電線13の一端から他端をみた場合に、磁気抵抗効果素子MTJに対して右向きに作用する。この磁場Hの方向は、磁化反転のスタート時において、SAF−フリー層の2つの磁性体のうち大きな体積を持つ磁性体内の電子スピンの向き(磁化方向)に対して90°<相対角x≦135°となる方向である。   At the same time, the magnetic field H generated by the spin injection current Is acts rightward with respect to the magnetoresistive effect element MTJ when the other end of the conductive line 13 is viewed. The direction of the magnetic field H is 90 ° <relative angle x ≦ with respect to the direction (magnetization direction) of electron spin in the magnetic body having a large volume of the two magnetic bodies of the SAF-free layer at the start of magnetization reversal. The direction is 135 °.

従って、小さな電流密度でSAF−フリー層の磁化が反転し、磁気抵抗効果素子MTJの磁化状態が平行状態から反平行状態になる。   Therefore, the magnetization of the SAF-free layer is reversed at a small current density, and the magnetization state of the magnetoresistive element MTJ changes from the parallel state to the antiparallel state.

E. まとめ
このように、磁化反転のスタート時において、スピン注入電流Isにより発生する磁場Hの方向と、SAF−フリー層の2つの磁性体のうち大きな体積を持つ磁性体内の電子スピンの向き(磁化方向)との相対角xを、90°<相対角x≦135°にすることで、アシスト効果を最大に発揮することができる。
E. Summary
Thus, at the start of magnetization reversal, the direction of the magnetic field H generated by the spin injection current Is and the direction of the electron spin (magnetization direction) in the magnetic body having a large volume of the two magnetic bodies of the SAF-free layer. When the relative angle x is set to 90 ° <relative angle x ≦ 135 °, the assist effect can be maximized.

尚、本実施の形態では、SAF−フリー層の2つの磁性体のうち大きな体積を持つ磁性体は、トンネルバリア層に接触する磁性体としているが、これに限定されることはない。   In the present embodiment, the magnetic body having a large volume among the two magnetic bodies of the SAF-free layer is a magnetic body in contact with the tunnel barrier layer. However, the present invention is not limited to this.

SAF−フリー層を構成する2つの磁性体の体積の差は、その上部からみた場合の面積が等しい場合には、2つの磁性体の厚さの差と考えてもよい。   The difference in volume between the two magnetic bodies constituting the SAF-free layer may be considered as a difference in thickness between the two magnetic bodies when the area when viewed from above is equal.

磁気抵抗効果素子MTJは、SAF−フリー層構造を有するものの他、単層から構成されるフリー層(単層フリー)を有するものでもよい。   The magnetoresistive element MTJ may have a single layer free layer (single layer free) in addition to the SAF-free layer structure.

また、磁気抵抗効果素子MTJは、アシスト磁場を発生させるための導電線(下部電極)の上部に配置されることを前提としたが、その導電線の下部に配置してもよい。   Further, although it is assumed that the magnetoresistive element MTJ is disposed above the conductive line (lower electrode) for generating the assist magnetic field, it may be disposed below the conductive line.

ボトムピン型及びトップピン型には、当然に、図18乃至図21に示したようなスピン反射層を持つものを含む。   Of course, the bottom pin type and the top pin type include those having a spin reflection layer as shown in FIGS.

(5) 第5実施の形態
第5実施の形態では、磁気抵抗効果素子を傾ける方向(左回転又は右回転)とアシスト効果との関係について考察する。
(5) Fifth embodiment
In the fifth embodiment, the relationship between the direction of tilting the magnetoresistive element (left rotation or right rotation) and the assist effect will be considered.

A. ボトムピン型(ピンド層右向き)
図33及び図34は、ボトムピン型(ピンド層右向き)の磁気抵抗効果素子に対する磁化反転シーケンスを示している。
A. Bottom pin type (pinned layer facing right)
33 and 34 show a magnetization reversal sequence for a bottom pin type (pinned layer rightward) magnetoresistive effect element.

図33のシーケンスは、磁気抵抗効果素子MTJを反平行状態から平行状態にするときのものであり、図34のシーケンスは、磁気抵抗効果素子MTJを平行状態から反平行状態にするときのものである。   The sequence of FIG. 33 is for changing the magnetoresistive effect element MTJ from the antiparallel state to the parallel state, and the sequence of FIG. 34 is for changing the magnetoresistive effect element MTJ from the parallel state to the antiparallel state. is there.

CASE 1は、磁気抵抗効果素子MTJの上面からみて、磁気抵抗効果素子MTJのフリー層のピンド層側の磁性体の磁化容易軸を、導電線(下部電極)の長軸と一致した状態から角度θ(0<θ≦45°)だけ左回転させた場合であり、CASE 2は、右回転させた場合である。   CASE 1 is an angle from the state in which the easy axis of magnetization of the magnetic material on the pinned layer side of the free layer of the magnetoresistive effect element MTJ coincides with the long axis of the conductive wire (lower electrode) when viewed from the upper surface of the magnetoresistive effect element MTJ. This is a case where it is rotated left by θ (0 <θ ≦ 45 °), and CASE 2 is a case where it is rotated right.

磁化反転期間におけるその他の条件は、第4実施の形態と同じとする。   Other conditions in the magnetization reversal period are the same as those in the fourth embodiment.

CASE 1とCASE 2で異なる点は、スピン注入電流により発生する磁場Hの向きと、磁化反転のスタート時におけるSAF−フリー層の2つの磁性体のうち大きな体積(厚さ大)を持つ磁性体内の電子スピンの向き(磁化方向)との関係にある。磁場Hの向き自体は、CASE 1とCASE 2で同じであるが、磁気抵抗効果素子MTJの回転方向が異なるため、両者の関係が異なる。   The difference between CASE 1 and CASE 2 is that the direction of the magnetic field H generated by the spin injection current and the magnetic body having a large volume (thickness) of the two magnetic bodies of the SAF-free layer at the start of magnetization reversal. There is a relationship with the direction of the electron spin (magnetization direction). The direction of the magnetic field H itself is the same in CASE 1 and CASE 2, but the relationship between the two differs because the rotation direction of the magnetoresistive element MTJ is different.

即ち、CASE 1では、磁場Hの向きと、磁化反転のスタート時における大きな体積を持つ磁性層(厚さ大)内の電子スピンの向き(磁化方向)との相対角xは、90°<相対角x≦135°であるのに対し、CASE 2では、磁場Hの向きと、磁化反転のスタート時における大きな体積を持つ磁性層(厚さ大)内の電子スピンの向き(磁化方向)との相対角xは、45°≦相対角x<90°である。   That is, in CASE 1, the relative angle x between the direction of the magnetic field H and the direction of the electron spin (magnetization direction) in the magnetic layer (thickness) having a large volume at the start of magnetization reversal is 90 ° <relative Whereas the angle x ≦ 135 °, in CASE 2, the direction of the magnetic field H and the direction of the electron spin (magnetization direction) in the magnetic layer (thickness) having a large volume at the start of magnetization reversal The relative angle x is 45 ° ≦ relative angle x <90 °.

この場合、CASE 1では、スピン注入電流を流し続けている磁化反転期間(A〜B)のほぼ全てにおいて磁場Hによる磁化反転のアシストがあるが、CASE 2では、磁化反転期間の初期、即ち、スピン注入電流(磁場アシスト)の発生初期(A)においてのみ磁場Hによる磁化反転のアシストがある。   In this case, in CASE 1, there is assistance for magnetization reversal by the magnetic field H in almost all of the magnetization reversal periods (A to B) in which the spin injection current continues to flow, but in CASE 2, in the initial period of the magnetization reversal period, that is, Only in the initial generation (A) of the spin injection current (magnetic field assist) is the magnetization reversal assist by the magnetic field H.

具体的には、CASE 2の場合、磁場Hの発生時から、大きな体積を持つ磁性層の磁化方向が磁場Hの方向と同じになるまでの初期においては、磁場Hは、磁化反転をアシストするが、それ以降は、磁場Hは、磁化反転をディスターブするものとなる。即ち、磁場Hの方向と、磁化反転のスタート時における大きな体積を持つ磁性層の磁化方向との相対角が小さいため、アシスト期間も短くなる。   Specifically, in the case of CASE 2, the magnetic field H assists the magnetization reversal in the initial stage from the generation of the magnetic field H until the magnetization direction of the magnetic layer having a large volume becomes the same as the direction of the magnetic field H. However, after that, the magnetic field H disturbs the magnetization reversal. That is, since the relative angle between the direction of the magnetic field H and the magnetization direction of the magnetic layer having a large volume at the start of magnetization reversal is small, the assist period is also shortened.

これに対し、CASE 1の場合には、磁場Hの方向と、磁化反転のスタート時における大きな体積を持つ磁性層の磁化方向との相対角が大きいため、スピン注入電流により発生する磁場Hは、磁化反転期間の終盤までスピン注入による磁化反転をアシストする。   On the other hand, in the case of CASE 1, since the relative angle between the direction of the magnetic field H and the magnetization direction of the magnetic layer having a large volume at the start of magnetization reversal is large, the magnetic field H generated by the spin injection current is Assists magnetization reversal by spin injection until the end of the magnetization reversal period.

このように、磁気抵抗効果素子を傾ける方向(左回転又は右回転)により、アシスト磁場によるスピン注入磁化反転のアシスト効果が異なる。   Thus, the assist effect of the spin transfer magnetization reversal by the assist magnetic field varies depending on the direction in which the magnetoresistive effect element is tilted (left rotation or right rotation).

本例より、ボトムピン型(ピンド層右向き)の場合には、磁気抵抗効果素子MTJの上面からみて、磁気抵抗効果素子MTJのフリー層のピンド層側の磁性体の磁化容易軸を、導電線(下部電極)の長軸と一致した状態から角度θだけ左回転させればよいことが分かる。   From this example, in the case of the bottom pin type (rightward of the pinned layer), the magnetization easy axis of the magnetic material on the pinned layer side of the free layer of the magnetoresistive effect element MTJ is seen from the upper surface of the magnetoresistive effect element MTJ. It can be seen that it is only necessary to rotate counterclockwise by an angle θ from a state where it coincides with the major axis of the lower electrode.

B. ボトムピン型(ピンド層左向き)
図35及び図36は、ボトムピン型(ピンド層左向き)の磁気抵抗効果素子に対する磁化反転シーケンスを示している。
B. Bottom pin type (pinned layer left)
35 and 36 show a magnetization reversal sequence for a bottom pin type (pinned layer leftward) magnetoresistive effect element.

図35のシーケンスは、磁気抵抗効果素子MTJを反平行状態から平行状態にするときのものであり、図36のシーケンスは、磁気抵抗効果素子MTJを平行状態から反平行状態にするときのものである。   The sequence in FIG. 35 is for changing the magnetoresistive effect element MTJ from the antiparallel state to the parallel state, and the sequence in FIG. 36 is for changing the magnetoresistive effect element MTJ from the parallel state to the antiparallel state. is there.

CASE 1は、磁気抵抗効果素子MTJの上面からみて、磁気抵抗効果素子MTJのフリー層のピンド層側の磁性体の磁化容易軸を、導電線(下部電極)の長軸と一致した状態から角度θ(0<θ≦45°)だけ右回転させた場合であり、CASE 2は、左回転させた場合である。   CASE 1 is an angle from the state in which the easy axis of magnetization of the magnetic material on the pinned layer side of the free layer of the magnetoresistive effect element MTJ coincides with the long axis of the conductive wire (lower electrode) when viewed from the upper surface of the magnetoresistive effect element MTJ. This is a case where it is rotated right by θ (0 <θ ≦ 45 °), and CASE 2 is a case where it is rotated left.

磁化反転期間におけるその他の条件は、第4実施の形態と同じとする。   Other conditions in the magnetization reversal period are the same as those in the fourth embodiment.

CASE 1では、磁場Hの向きと、磁化反転のスタート時における大きな体積を持つ磁性層(厚さ大)内の電子スピンの向き(磁化方向)との相対角xは、90°<相対角x≦135°であるのに対し、CASE 2では、磁場Hの向きと、磁化反転のスタート時における大きな体積を持つ磁性層(厚さ大)内の電子スピンの向き(磁化方向)との相対角xは、45°≦相対角x<90°である。   In CASE 1, the relative angle x between the direction of the magnetic field H and the direction of the electron spin (magnetization direction) in the magnetic layer (thickness) having a large volume at the start of magnetization reversal is 90 ° <relative angle x Whereas ≦ 135 °, in CASE 2, the relative angle between the direction of the magnetic field H and the direction of the electron spin (magnetization direction) in the magnetic layer (thickness) with a large volume at the start of magnetization reversal x is 45 ° ≦ relative angle x <90 °.

この場合、ボトムピン型(ピンド層右向き)と同様に、CASE 1では、スピン注入電流を流し続けている磁化反転期間(A〜B)のほぼ全てにおいて磁場Hによる磁化反転のアシストがあるが、CASE 2では、磁化反転期間の初期、即ち、スピン注入電流(磁場アシスト)の発生初期(A)においてのみ磁場Hによる磁化反転のアシストがある。   In this case, as in the bottom pin type (rightward to the pinned layer), in CASE 1, there is assistance for magnetization reversal by the magnetic field H in almost all magnetization reversal periods (A to B) in which the spin injection current continues to flow. In 2, there is an assist of magnetization reversal by the magnetic field H only at the beginning of the magnetization reversal period, that is, at the initial generation (A) of the spin injection current (magnetic field assist).

尚、ボトムピン型(ピンド層右向き)とボトムピン型(ピンド層左向き)とで異なる点は、前者については、SAFフリー層の磁化が右回りで反転するのに対し、後者については、SAFフリー層の磁化が左回りで反転することである。   Note that the bottom pin type (pinned layer rightward) and the bottom pin type (pinned layer leftward) differ in that the magnetization of the SAF free layer in the former is reversed in the clockwise direction, whereas the latter is different from that in the SAF free layer. The magnetization is reversed counterclockwise.

このように、磁気抵抗効果素子を傾ける方向(左回転又は右回転)により、アシスト磁場によるスピン注入磁化反転のアシスト効果が異なる。   Thus, the assist effect of the spin transfer magnetization reversal by the assist magnetic field varies depending on the direction in which the magnetoresistive effect element is tilted (left rotation or right rotation).

本例より、ボトムピン型(ピンド層左向き)の場合には、磁気抵抗効果素子MTJの上面からみて、磁気抵抗効果素子MTJのフリー層のピンド層側の磁性体の磁化容易軸を、導電線(下部電極)の長軸と一致した状態から角度θだけ右回転させればよいことが分かる。   According to this example, in the case of the bottom pin type (leftward of the pinned layer), the magnetization easy axis of the magnetic body on the pinned layer side of the free layer of the magnetoresistive effect element MTJ is seen from the upper surface of the magnetoresistive effect element MTJ. It can be seen that it is only necessary to rotate right by an angle θ from a state where it coincides with the major axis of the lower electrode.

C. トップピン型(ピンド層右向き)
図37及び図38は、トップピン型(ピンド層右向き)の磁気抵抗効果素子に対する磁化反転シーケンスを示している。
C. Top pin type (pinned layer facing right)
37 and 38 show a magnetization reversal sequence for a top pin type (rightward pinned layer) magnetoresistive effect element.

図37のシーケンスは、磁気抵抗効果素子MTJを反平行状態から平行状態にするときのものであり、図38のシーケンスは、磁気抵抗効果素子MTJを平行状態から反平行状態にするときのものである。   The sequence in FIG. 37 is for changing the magnetoresistive effect element MTJ from the antiparallel state to the parallel state, and the sequence in FIG. 38 is for changing the magnetoresistive effect element MTJ from the parallel state to the antiparallel state. is there.

CASE 1は、磁気抵抗効果素子MTJの上面からみて、磁気抵抗効果素子MTJのフリー層のピンド層側の磁性体の磁化容易軸を、導電線(下部電極)の長軸と一致した状態から角度θ(0<θ≦45°)だけ右回転させた場合であり、CASE 2は、左回転させた場合である。   CASE 1 is an angle from the state in which the easy axis of magnetization of the magnetic material on the pinned layer side of the free layer of the magnetoresistive effect element MTJ coincides with the long axis of the conductive wire (lower electrode) when viewed from the upper surface of the magnetoresistive effect element MTJ. This is a case where it is rotated right by θ (0 <θ ≦ 45 °), and CASE 2 is a case where it is rotated left.

磁化反転期間におけるその他の条件は、第4実施の形態と同じとする。   Other conditions in the magnetization reversal period are the same as those in the fourth embodiment.

CASE 1とCASE 2で異なる点は、スピン注入電流により発生する磁場Hの向きと、磁化反転のスタート時におけるSAF−フリー層の2つの磁性体のうち大きな体積(厚さ大)を持つ磁性体内の電子スピンの向き(磁化方向)との関係にある。磁場Hの向き自体は、CASE 1とCASE 2で同じであるが、磁気抵抗効果素子MTJの回転方向が異なるため、両者の関係が異なる。   The difference between CASE 1 and CASE 2 is that the direction of the magnetic field H generated by the spin injection current and the magnetic body having a large volume (thickness) of the two magnetic bodies of the SAF-free layer at the start of magnetization reversal. There is a relationship with the direction of the electron spin (magnetization direction). The direction of the magnetic field H itself is the same in CASE 1 and CASE 2, but the relationship between the two differs because the rotation direction of the magnetoresistive element MTJ is different.

即ち、CASE 1では、磁場Hの向きと、磁化反転のスタート時における大きな体積を持つ磁性層(厚さ大)内の電子スピンの向き(磁化方向)との相対角xは、90°<相対角x≦135°であるのに対し、CASE 2では、磁場Hの向きと、磁化反転のスタート時における大きな体積を持つ磁性層(厚さ大)内の電子スピンの向き(磁化方向)との相対角xは、45°≦相対角x<90°である。   That is, in CASE 1, the relative angle x between the direction of the magnetic field H and the direction of the electron spin (magnetization direction) in the magnetic layer (thickness) having a large volume at the start of magnetization reversal is 90 ° <relative Whereas the angle x ≦ 135 °, in CASE 2, the direction of the magnetic field H and the direction of the electron spin (magnetization direction) in the magnetic layer (thickness) having a large volume at the start of magnetization reversal The relative angle x is 45 ° ≦ relative angle x <90 °.

この場合、CASE 1では、スピン注入電流を流し続けている磁化反転期間(A〜B)のほぼ全てにおいて磁場Hによる磁化反転のアシストがあるが、CASE 2では、磁化反転期間の初期、即ち、スピン注入電流(磁場アシスト)の発生初期(A)においてのみ磁場Hによる磁化反転のアシストがある。   In this case, in CASE 1, there is assistance for magnetization reversal by the magnetic field H in almost all of the magnetization reversal periods (A to B) in which the spin injection current continues to flow, but in CASE 2, in the initial period of the magnetization reversal period, that is, Only in the initial generation (A) of the spin injection current (magnetic field assist) is the magnetization reversal assist by the magnetic field H.

具体的には、CASE 2の場合、磁場Hの発生時から、大きな体積を持つ磁性層の磁化方向が磁場Hの方向と同じになるまでの初期においては、磁場Hは、磁化反転をアシストするが、それ以降は、磁場Hは、磁化反転をディスターブするものとなる。即ち、磁場Hの方向と、磁化反転のスタート時における大きな体積を持つ磁性層の磁化方向との相対角が小さいため、アシスト期間も短くなる。   Specifically, in the case of CASE 2, the magnetic field H assists the magnetization reversal in the initial stage from the generation of the magnetic field H until the magnetization direction of the magnetic layer having a large volume becomes the same as the direction of the magnetic field H. However, after that, the magnetic field H disturbs the magnetization reversal. That is, since the relative angle between the direction of the magnetic field H and the magnetization direction of the magnetic layer having a large volume at the start of magnetization reversal is small, the assist period is also shortened.

これに対し、CASE 1の場合には、磁場Hの方向と、磁化反転のスタート時における大きな体積を持つ磁性層の磁化方向との相対角が大きいため、スピン注入電流により発生する磁場Hは、磁化反転期間の終盤までスピン注入による磁化反転をアシストする。   On the other hand, in the case of CASE 1, since the relative angle between the direction of the magnetic field H and the magnetization direction of the magnetic layer having a large volume at the start of magnetization reversal is large, the magnetic field H generated by the spin injection current is Assists magnetization reversal by spin injection until the end of the magnetization reversal period.

このように、磁気抵抗効果素子を傾ける方向(左回転又は右回転)により、アシスト磁場によるスピン注入磁化反転のアシスト効果が異なる。   Thus, the assist effect of the spin transfer magnetization reversal by the assist magnetic field varies depending on the direction in which the magnetoresistive effect element is tilted (left rotation or right rotation).

本例より、トップピン型(ピンド層右向き)の場合には、磁気抵抗効果素子MTJの上面からみて、磁気抵抗効果素子MTJのフリー層のピンド層側の磁性体の磁化容易軸を、導電線(下部電極)の長軸と一致した状態から角度θだけ右回転させればよいことが分かる。   According to this example, in the case of the top pin type (toward the pinned layer rightward), the magnetization easy axis of the magnetic material on the pinned layer side of the free layer of the magnetoresistive effect element MTJ is defined as the conductive wire as viewed from the upper surface of the magnetoresistive effect element MTJ. It can be seen that it is sufficient to rotate rightward by an angle θ from a state where it coincides with the major axis of the (lower electrode).

D. トップピン型(ピンド層左向き)
図39及び図40は、トップピン型(ピンド層左向き)の磁気抵抗効果素子に対する磁化反転シーケンスを示している。
D. Top pin type (pinned layer facing left)
39 and 40 show a magnetization reversal sequence for a top pin type (pinned layer leftward) magnetoresistive effect element.

図39のシーケンスは、磁気抵抗効果素子MTJを反平行状態から平行状態にするときのものであり、図40のシーケンスは、磁気抵抗効果素子MTJを平行状態から反平行状態にするときのものである。   The sequence of FIG. 39 is for changing the magnetoresistive effect element MTJ from the antiparallel state to the parallel state, and the sequence of FIG. 40 is for changing the magnetoresistive effect element MTJ from the parallel state to the antiparallel state. is there.

CASE 1は、磁気抵抗効果素子MTJの上面からみて、磁気抵抗効果素子MTJのフリー層のピンド層側の磁性体の磁化容易軸を、導電線(下部電極)の長軸と一致した状態から角度θ(0<θ≦45°)だけ左回転させた場合であり、CASE 2は、右回転させた場合である。   CASE 1 is an angle from the state in which the easy axis of magnetization of the magnetic material on the pinned layer side of the free layer of the magnetoresistive effect element MTJ coincides with the long axis of the conductive wire (lower electrode) when viewed from the upper surface of the magnetoresistive effect element MTJ. This is a case where it is rotated left by θ (0 <θ ≦ 45 °), and CASE 2 is a case where it is rotated right.

磁化反転期間におけるその他の条件は、第4実施の形態と同じとする。   Other conditions in the magnetization reversal period are the same as those in the fourth embodiment.

CASE 1では、磁場Hの向きと、磁化反転のスタート時における大きな体積を持つ磁性層(厚さ大)内の電子スピンの向き(磁化方向)との相対角xは、90°<相対角x≦135°であるのに対し、CASE 2では、磁場Hの向きと、磁化反転のスタート時における大きな体積を持つ磁性層(厚さ大)内の電子スピンの向き(磁化方向)との相対角xは、45°≦相対角x<90°である。   In CASE 1, the relative angle x between the direction of the magnetic field H and the direction of the electron spin (magnetization direction) in the magnetic layer (thickness) having a large volume at the start of magnetization reversal is 90 ° <relative angle x Whereas ≦ 135 °, in CASE 2, the relative angle between the direction of the magnetic field H and the direction of the electron spin (magnetization direction) in the magnetic layer (thickness) with a large volume at the start of magnetization reversal x is 45 ° ≦ relative angle x <90 °.

この場合、トップピン型(ピンド層右向き)と同様に、CASE 1では、スピン注入電流を流し続けている磁化反転期間(A〜B)のほぼ全てにおいて磁場Hによる磁化反転のアシストがあるが、CASE 2では、磁化反転期間の初期、即ち、スピン注入電流(磁場アシスト)の発生初期(A)においてのみ磁場Hによる磁化反転のアシストがある。   In this case, as in the case of the top pin type (rightward of the pinned layer), in CASE 1, there is an assist of magnetization reversal by the magnetic field H in almost all of the magnetization reversal periods (A to B) in which the spin injection current continues to flow. In CASE 2, there is assistance for magnetization reversal by the magnetic field H only at the beginning of the magnetization reversal period, that is, at the initial generation (A) of the spin injection current (magnetic field assist).

尚、トップピン型(ピンド層右向き)とトップピン型(ピンド層左向き)とで異なる点は、前者については、SAFフリー層の磁化が左回りで反転するのに対し、後者については、SAFフリー層の磁化が右回りで反転することである。   Note that the top pin type (pinned layer rightward) and the top pin type (pinned layer leftward) differ in that the magnetization of the SAF free layer is reversed in the counterclockwise direction, whereas the latter is SAF free. The magnetization of the layer is reversed clockwise.

このように、磁気抵抗効果素子を傾ける方向(左回転又は右回転)により、アシスト磁場によるスピン注入磁化反転のアシスト効果が異なる。   Thus, the assist effect of the spin transfer magnetization reversal by the assist magnetic field varies depending on the direction in which the magnetoresistive effect element is tilted (left rotation or right rotation).

本例より、トップピン型(ピンド層左向き)の場合には、磁気抵抗効果素子MTJの上面からみて、磁気抵抗効果素子MTJのフリー層のピンド層側の磁性体の磁化容易軸を、導電線(下部電極)の長軸と一致した状態から角度θだけ左回転させればよいことが分かる。   According to this example, in the case of the top pin type (leftward of the pinned layer), the magnetization easy axis of the magnetic body on the pinned layer side of the free layer of the magnetoresistive effect element MTJ is defined as the conductive wire as viewed from the upper surface of the magnetoresistive effect element MTJ. It can be seen that it is only necessary to rotate counterclockwise by an angle θ from a state where it coincides with the major axis of the (lower electrode).

E. まとめ
このように、アシスト効果は、磁気抵抗効果素子MTJを傾ける方向によって異なるが、その傾ける方向は、磁気抵抗効果素子MTJ構造(ボトムピン型又はトップピン型)や、ピンド層の磁化方向などのファクターによって異なる。
E. Summary
As described above, the assist effect varies depending on the direction in which the magnetoresistive effect element MTJ is tilted. The tilt direction depends on factors such as the magnetoresistive effect element MTJ structure (bottom pin type or top pin type) and the magnetization direction of the pinned layer. Different.

重要な点は、第4実施の形態で説明したように、磁化反転のスタート時において、スピン注入電流により発生する磁場の方向と、SAF−フリー層の2つの磁性体のうち大きな体積を持つ磁性体内の電子スピンの向き(磁化方向)との相対角xが90°<相対角x≦135°となるようにすることである。   As described in the fourth embodiment, the important points are the direction of the magnetic field generated by the spin injection current at the start of the magnetization reversal and the magnetic volume having a large volume of the two magnetic bodies of the SAF-free layer. The relative angle x with the direction of the electron spin in the body (magnetization direction) is 90 ° <relative angle x ≦ 135 °.

(6) 第6実施の形態
第6実施の形態は、アシスト磁場をスピン注入電流とは異なるアシスト電流により発生する技術に関する。
(6) Sixth embodiment
The sixth embodiment relates to a technique for generating an assist magnetic field with an assist current different from a spin injection current.

即ち、スピン注入電流の経路とアシスト電流の経路とを分離し、アシスト電流を流す導電線(書き込み線)を新たに設ける。   That is, the spin injection current path and the assist current path are separated, and a conductive line (write line) through which the assist current flows is newly provided.

A. 構造
図41及び図42は、第6実施の形態のメモリセル構造を示している。
A. Structure
41 and 42 show the memory cell structure of the sixth embodiment.

半導体基板11内には、STI構造の素子分離絶縁層12が配置される。素子分離絶縁層12により囲まれた素子領域内には、スイッチ素子SWとして、例えば、MISFETが配置される。スイッチ素子SWの一端は、コンタクトパーツAを介して、導電線としての下部ビット線BLdに接続される。下部ビット線BLdは、例えば、カラム方向に延びる。   An element isolation insulating layer 12 having an STI structure is disposed in the semiconductor substrate 11. In the element region surrounded by the element isolation insulating layer 12, for example, a MISFET is disposed as the switch element SW. One end of the switch element SW is connected to the lower bit line BLd as a conductive line through the contact part A. The lower bit line BLd extends in the column direction, for example.

磁気抵抗効果素子MTJは、導電線13の一端に配置される。導電線13の他端は、コンタクトパーツBを介して、スイッチ素子SWの他端に接続される。導電線13に関して、図41の例では、カラム方向とこれに垂直なロウ方向との間の斜め方向に延び、図42の例では、カラム方向に延びる。   The magnetoresistive element MTJ is disposed at one end of the conductive wire 13. The other end of the conductive line 13 is connected to the other end of the switch element SW via the contact part B. 41, the conductive line 13 extends in an oblique direction between the column direction and the row direction perpendicular to the column direction in the example of FIG. 41, and extends in the column direction in the example of FIG.

磁気抵抗効果素子MTJ上には、ビアプラグ(via plug)、金属ハードマスクなどのコンタクトパーツ14を介して、導電線としての上部ビット線BLuが配置される。上部ビット線BLuは、例えば、カラム方向に延びる。   An upper bit line BLu as a conductive line is disposed on the magnetoresistive element MTJ via a contact part 14 such as a via plug or a metal hard mask. The upper bit line BLu extends, for example, in the column direction.

導電線(書き込み線)18は、ヨーク構造を有し、導電体18aと、導電体18aの下面と側面とを覆う軟磁性体18bとから構成される。導電線18に関して、図41の例では、カラム方向に延び、図42の例では、ロウ方向に延びる。   The conductive line (write line) 18 has a yoke structure, and includes a conductor 18a and a soft magnetic body 18b that covers the lower surface and side surfaces of the conductor 18a. 41, the conductive line 18 extends in the column direction in the example of FIG. 41, and extends in the row direction in the example of FIG.

ここで、磁気抵抗効果素子MTJは、その磁化容易軸と導電線13の長軸とのなす角度θが0°<θ≦45°の範囲内の値になるようにレイアウトされる。   Here, the magnetoresistive effect element MTJ is laid out so that the angle θ between the easy axis of magnetization and the long axis of the conductive wire 13 is a value within the range of 0 ° <θ ≦ 45 °.

また、磁気抵抗効果素子MTJを傾ける方向については、原則として、第5実施の形態に従うものとする。   The direction in which the magnetoresistive effect element MTJ is tilted is in principle according to the fifth embodiment.

但し、第6実施の形態では、アシスト磁場を発生させるための導電線18を独立に設けたことにより、磁気抵抗効果素子MTJを傾ける方向によらず、角度θの条件を満たしてれば、最大のアシスト効果を常に得ることができる。   However, in the sixth embodiment, by providing the conductive wire 18 for generating the assist magnetic field independently, the maximum is provided if the condition of the angle θ is satisfied regardless of the direction in which the magnetoresistive effect element MTJ is inclined. The assist effect can always be obtained.

B. 磁化反転メカニズム
以下では、磁場による磁化反転のアシスト期間を制御することで、磁気抵抗効果素子MTJを傾ける方向によらず、常に最大のアシスト効果を得るための磁化反転メカニズムについて説明する。
B. Magnetization reversal mechanism
Hereinafter, a magnetization reversal mechanism for always obtaining the maximum assist effect regardless of the direction in which the magnetoresistive element MTJ is tilted by controlling the magnetization reversal assist period by the magnetic field will be described.

図43及び図44は、ボトムピン/トップピン型磁気抵抗効果素子に対する磁化反転シーケンスを示している。   43 and 44 show a magnetization reversal sequence for the bottom pin / top pin type magnetoresistive effect element.

図43のシーケンスは、磁気抵抗効果素子MTJを反平行状態から平行状態にするときのものであり、図44のシーケンスは、磁気抵抗効果素子MTJを平行状態から反平行状態にするときのものである。   The sequence in FIG. 43 is for changing the magnetoresistive effect element MTJ from the antiparallel state to the parallel state, and the sequence in FIG. 44 is for changing the magnetoresistive effect element MTJ from the parallel state to the antiparallel state. is there.

既に、第5実施の形態において、ボトムピン型(ピンド層右向き)及びトップピン型(ピンド層左向き)の場合には、左回転、トップピン型(ピンド層右向き)及びボトムピン型(ピンド層左向き)の場合には、右回転で、最大のアシスト効果を得ることができることを説明したので、本実施の形態では、磁気抵抗効果素子MTJを傾ける方向として、以下の場合を検討する。   In the fifth embodiment, in the case of the bottom pin type (pinned layer rightward) and the top pin type (pinned layer leftward), left rotation, top pin type (pinned layer rightward) and bottom pin type (pinned layer leftward) In this case, since it has been described that the maximum assist effect can be obtained by rotating to the right, in the present embodiment, the following case is considered as the direction in which the magnetoresistive element MTJ is inclined.

ボトムピン型(ピンド層右向き)の場合には、磁気抵抗効果素子MTJの上面からみて、磁気抵抗効果素子MTJのフリー層のピンド層側の磁性体の磁化容易軸を、導電線(下部電極)の長軸と一致した状態から角度θ(0<θ≦45°)だけ右回転させる。   In the case of the bottom pin type (rightward of the pinned layer), the easy axis of magnetization of the magnetic material on the pinned layer side of the free layer of the magnetoresistive effect element MTJ is seen from the upper surface of the magnetoresistive effect element MTJ. Rotate clockwise by an angle θ (0 <θ ≦ 45 °) from a state where it matches the long axis.

トップピン型(ピンド層右向き)の場合には、磁気抵抗効果素子MTJの上面からみて、磁気抵抗効果素子MTJのフリー層のピンド層側の磁性体の磁化容易軸を、導電線(下部電極)の長軸と一致した状態から角度θ(0<θ≦45°)だけ左回転させる。   In the case of the top pin type (to the right of the pinned layer), the easy axis of magnetization of the magnetic material on the pinned layer side of the free layer of the magnetoresistive effect element MTJ is viewed from the top surface of the magnetoresistive effect element MTJ. Rotate counterclockwise by an angle θ (0 <θ ≦ 45 °) from a state that coincides with the major axis of.

まず、スピン注入電流とアシスト電流を発生させる。   First, a spin injection current and an assist current are generated.

両者の発生時期は、同じであってもよいし、互いにずらしてもよい。両者の発生時期をずらす場合には、スピン注入電流が先であっても、また、アシスト電流が先であっても、いずれでもよい。   The generation time of both may be the same or may be shifted from each other. When the generation times of both are shifted, the spin injection current may be first or the assist current may be first.

第5実施の形態で説明したように、磁気抵抗効果素子MTJを上記条件で傾けた場合、磁化反転期間の初期、即ち、スピン注入電流(磁場アシスト)の発生初期(A)においてのみ磁場Hによる磁化反転のアシストがある。   As described in the fifth embodiment, when the magnetoresistive element MTJ is tilted under the above conditions, the magnetic field H is applied only in the initial period of the magnetization reversal period, that is, in the initial generation (A) of the spin injection current (magnetic field assist). There is assistance for magnetization reversal.

そこで、アシスト電流は、SAF−フリー層の大きな体積を持つ磁性層の磁化方向が磁場Hの方向と同じになるまで流し、その後は、アシスト電流を遮断し、スピン注入電流のみによる磁化反転を行う。   Therefore, the assist current flows until the magnetization direction of the magnetic layer having a large volume of the SAF-free layer becomes the same as the direction of the magnetic field H, and thereafter, the assist current is cut off and magnetization reversal is performed only by the spin injection current. .

SAF−フリー層の大きな体積を持つ磁性層の磁化方向が磁場Hの方向と同じになる時点は、スピン注入電流を流している期間の中間点よりも前になる。   The point in time when the magnetization direction of the magnetic layer having a large volume of the SAF-free layer becomes the same as the direction of the magnetic field H is before the midpoint of the period during which the spin injection current is flowing.

尚、ボトムピン型(ピンド層左向き)の場合に、磁気抵抗効果素子MTJを角度θ(0<θ≦45°)だけ左回転させた場合、及び、トップピン型(ピンド層左向き)の場合に、磁気抵抗効果素子MTJを角度θ(0<θ≦45°)だけ右回転させた場合のそれぞれについても、本実施の形態は有効である。   In the case of the bottom pin type (pinned layer leftward), when the magnetoresistive element MTJ is rotated counterclockwise by an angle θ (0 <θ ≦ 45 °), and in the case of the top pin type (pinned layer leftward), The present embodiment is also effective for each case where the magnetoresistive element MTJ is rotated clockwise by an angle θ (0 <θ ≦ 45 °).

C. まとめ
このように、スピン注入電流による磁化反転期間(A〜B)のうち、初期(A)のみにおいて磁場によるアシストを行えば、磁気抵抗効果素子を傾ける方向(左回転又は右回転)によらず、最大のアシスト効果を得ることができる。
C. Summary
Thus, in the magnetization reversal period due to the spin injection current (A to B), if the magnetic field assist is performed only in the initial stage (A), regardless of the direction of tilting the magnetoresistive element (left rotation or right rotation), The maximum assist effect can be obtained.

第6実施の形態では、導電線13,18、BLu,BLdの間のクロストークを防止するため、アシスト磁場Hの強さは、〜数10 Oeの範囲内に設定することが好ましい。   In the sixth embodiment, the strength of the assist magnetic field H is preferably set within a range of ˜several 10 Oe in order to prevent crosstalk between the conductive lines 13, 18, BLu, BLd.

(7) 第7実施の形態
第7実施の形態は、単層からなるフリー層(単層フリー)を持つ磁気抵抗効果素子に対する磁化反転メカニズムに関する。
(7) Seventh embodiment
The seventh embodiment relates to a magnetization reversal mechanism for a magnetoresistive effect element having a single free layer (single layer free).

単層フリーを使用した場合にも、磁化反転メカニズムは、SAF−フリー層を使用した場合(第4及び第5実施の形態)と同じである。   Even when the single layer free is used, the magnetization reversal mechanism is the same as that when the SAF-free layer is used (fourth and fifth embodiments).

ピンド層右向き及びピンド層左向きの場合のいずれにおいても、基本的な考え方は、SAF−フリー層を使用した場合と同じであるので、ここでは、ピンド層右向きの場合のみについて説明する。   In both cases where the pinned layer is directed to the right and the pinned layer is directed to the left, the basic concept is the same as when the SAF-free layer is used, and therefore only the case where the pinned layer is directed to the right will be described.

図45及び図46は、ボトムピン型(ピンド層右向き)の磁気抵抗効果素子に対する磁化反転メカニズムを示している。   45 and 46 show a magnetization reversal mechanism for a bottom pin type (pinned layer rightward) magnetoresistive effect element.

磁気抵抗効果素子MTJがボトムピン型(ピンド層右向き)の場合、磁気抵抗効果素子MTJのフリー層の磁化容易軸は、その上面からみて、導電線(下部電極)13の長軸と一致した状態から左回転で角度θ(0°<θ≦45°)だけ傾ける。   When the magnetoresistive effect element MTJ is a bottom pin type (rightward of the pinned layer), the magnetization easy axis of the free layer of the magnetoresistive effect element MTJ is aligned with the major axis of the conductive wire (lower electrode) 13 when viewed from the upper surface. Rotate counterclockwise to tilt the angle θ (0 ° <θ ≦ 45 °).

図47及び図48は、トップピン型(ピンド層右向き)の磁気抵抗効果素子に対する磁化反転メカニズムを示している。   47 and 48 show a magnetization reversal mechanism for a top pin type (pinned layer rightward) magnetoresistive effect element.

磁気抵抗効果素子MTJがトップピン型(ピンド層右向き)の場合、磁気抵抗効果素子MTJのフリー層の磁化容易軸は、その上面からみて、導電線(下部電極)13の長軸と一致した状態から右回転で角度θ(0°<θ≦45°)だけ傾ける。   When the magnetoresistive effect element MTJ is a top pin type (rightward of the pinned layer), the easy axis of magnetization of the free layer of the magnetoresistive effect element MTJ coincides with the major axis of the conductive wire (lower electrode) 13 when viewed from the upper surface. Rotate clockwise from angle θ (0 ° <θ ≤ 45 °).

図49及び図50は、ボトムピン/トップピン型(ピンド層右向き)磁気抵抗効果素子に対する磁化反転シーケンスを示している。   49 and 50 show the magnetization reversal sequence for the bottom pin / top pin type (pinned layer rightward) magnetoresistive effect element.

図49のシーケンスは、磁気抵抗効果素子MTJを反平行状態から平行状態にするときのものであり、図50のシーケンスは、磁気抵抗効果素子MTJを平行状態から反平行状態にするときのものである。   The sequence in FIG. 49 is for changing the magnetoresistive effect element MTJ from the antiparallel state to the parallel state, and the sequence in FIG. 50 is for changing the magnetoresistive effect element MTJ from the parallel state to the antiparallel state. is there.

上述のように、ボトムピン型(ピンド層右向き)の場合には、磁気抵抗効果素子MTJを角度θだけ左回転させ、トップピン型(ピンド層右向き)の場合には、磁気抵抗効果素子MTJを角度θだけ右回転させる。   As described above, in the case of the bottom pin type (pinned layer rightward), the magnetoresistive effect element MTJ is rotated counterclockwise by the angle θ, and in the case of the top pin type (pinned layer rightward), the magnetoresistive effect element MTJ is angled. Rotate right by θ.

ここで、アシスト磁場Hの向きと、磁化反転のスタート時におけるフリー層内の電子スピンの向き(磁化方向)との相対角xは、90°<相対角x≦135°に設定される。この場合、SAF−フリー層構造の場合と同様に、スピン注入電流を流し続けている磁化反転期間のほぼ全てにおいて、アシスト磁場Hによる磁化反転のアシストを行うことができる。   Here, the relative angle x between the direction of the assist magnetic field H and the direction of the electron spin (magnetization direction) in the free layer at the start of magnetization reversal is set to 90 ° <relative angle x ≦ 135 °. In this case, as in the case of the SAF-free layer structure, the magnetization reversal assist by the assist magnetic field H can be performed in almost all the magnetization reversal periods in which the spin injection current continues to flow.

単層フリーを使用した場合においても、アシスト電流を流すための導電線を独立に設け、アシスト電流の経路とスピン注入電流の経路とを別々にすれば、第6実施の形態と同様に、アシスト期間を制御することにより、磁気抵抗効果素子を傾ける方向によらず、最大のアシスト効果を得ることができる。   Even when the single layer free is used, if a conductive line for flowing an assist current is provided independently and the assist current path and the spin injection current path are separated, the assist is performed as in the sixth embodiment. By controlling the period, the maximum assist effect can be obtained regardless of the direction in which the magnetoresistive element is tilted.

(8) 第8実施の形態
第8実施の形態は、メモリセル構造に関し、1つのスイッチ素子に複数の磁気抵抗効果素子を並列に接続した点に特徴を有する。
(8) Eighth embodiment
The eighth embodiment has a feature in that a plurality of magnetoresistive elements are connected in parallel to one switch element with respect to the memory cell structure.

A. 構造
図51及び図52は、第8実施の形態のメモリセル構造を示している。
A. Structure
51 and 52 show the memory cell structure of the eighth embodiment.

半導体基板11内には、STI構造の素子分離絶縁層12が配置される。素子分離絶縁層12により囲まれた素子領域内には、スイッチ素子SWとして、例えば、MISFETが配置される。スイッチ素子SWの一端は、コンタクトパーツAを介して、導電線としての下部ビット線BLdに接続される。下部ビット線BLdは、例えば、カラム方向に延びる。   An element isolation insulating layer 12 having an STI structure is disposed in the semiconductor substrate 11. In the element region surrounded by the element isolation insulating layer 12, for example, a MISFET is disposed as the switch element SW. One end of the switch element SW is connected to the lower bit line BLd as a conductive line through the contact part A. The lower bit line BLd extends in the column direction, for example.

磁気抵抗効果素子MTJ1,MTJ2は、それぞれ導電線13の一端に配置される。磁気抵抗効果素子MTJ1は、導電線13の一端の上部に配置され、磁気抵抗効果素子MTJ2は、導電線13の一端の下部に配置される。   The magnetoresistive effect elements MTJ1 and MTJ2 are arranged at one end of the conductive line 13, respectively. The magnetoresistive effect element MTJ1 is arranged at the upper part of one end of the conductive line 13, and the magnetoresistive effect element MTJ2 is arranged at the lower part of one end of the conductive line 13.

導電線13は、ヨーク構造を有し、導電体13aと、導電体13aの内部と側面とに形成される軟磁性体13bとから構成される。導電線13の他端は、コンタクトパーツBを介して、スイッチ素子SWの他端に接続される。   The conductive wire 13 has a yoke structure and is composed of a conductor 13a and a soft magnetic body 13b formed on the inside and side surfaces of the conductor 13a. The other end of the conductive line 13 is connected to the other end of the switch element SW via the contact part B.

磁気抵抗効果素子MTJ1の上部には、ビアプラグ、金属ハードマスクなどのコンタクトパーツ14を介して、導電線としての上部ビット線BLu1が配置される。上部ビット線BLu1は、例えば、カラム方向に延びる。   Above the magnetoresistive effect element MTJ1, an upper bit line BLu1 as a conductive line is disposed via a contact part 14 such as a via plug or a metal hard mask. The upper bit line BLu1 extends in the column direction, for example.

同様に、磁気抵抗効果素子MTJ2の下部には、ビアプラグ、金属ハードマスクなどのコンタクトパーツ14を介して、導電線としての上部ビット線BLu2が配置される。図51の例では、上部ビット線BLu2は、カラム方向に延び、図52の例では、上部ビット線BLu2は、ロウ方向に延びる。   Similarly, an upper bit line BLu2 as a conductive line is disposed under the magnetoresistive element MTJ2 via a contact part 14 such as a via plug or a metal hard mask. In the example of FIG. 51, the upper bit line BLu2 extends in the column direction, and in the example of FIG. 52, the upper bit line BLu2 extends in the row direction.

磁気抵抗効果素子MTJ1,MTJ2の構造は、同じタイプ(ボトムピン型/トップピン型)である。磁気抵抗効果素子MTJ1,MTJ2には、それぞれ独立にデータを書き込むこともできるし、また、同時に、相補データを書き込むこともできる。   The structures of the magnetoresistive elements MTJ1 and MTJ2 are the same type (bottom pin type / top pin type). Data can be independently written in the magnetoresistive elements MTJ1 and MTJ2, and complementary data can be simultaneously written.

ここで、磁気抵抗効果素子MTJは、その磁化容易軸と導電線13の長軸とのなす角度θが0°<θ≦45°の範囲内の値になるようにレイアウトされる。また、磁気抵抗効果素子MTJを傾ける方向(左回転又は右回転)については、第5実施の形態に従うものとする。   Here, the magnetoresistive effect element MTJ is laid out so that the angle θ between the easy axis of magnetization and the long axis of the conductive wire 13 is a value within the range of 0 ° <θ ≦ 45 °. The direction in which the magnetoresistive element MTJ is tilted (left rotation or right rotation) is in accordance with the fifth embodiment.

このような構造によれば、高速読み出し/書き込みのアーキテクチャを実現できる。例えば、2つの磁気抵抗効果素子MTJ1,MTJ2に相補データを記憶させることで、読み出しに関しては、磁気抵抗効果素子MTJ1,MTJ2のデータを同時に読み出す差動読み出しを実現できる。   According to such a structure, a high-speed read / write architecture can be realized. For example, by storing complementary data in the two magnetoresistive effect elements MTJ1 and MTJ2, it is possible to realize differential reading that simultaneously reads data from the magnetoresistive effect elements MTJ1 and MTJ2.

また、書き込みに関しても、磁気抵抗効果素子MTJ1,MTJ2に相補データを同時に書き込むことができる。   As for writing, complementary data can be simultaneously written in the magnetoresistive elements MTJ1 and MTJ2.

B. 磁化反転メカニズム
a. ボトムピン型(ピンド層右向き)
図53乃至図56は、ボトムピン型(ピンド層右向き)の磁気抵抗効果素子に対する磁化反転メカニズムを示している。
B. Magnetization reversal mechanism
a. Bottom pin type (pinned layer facing right)
53 to 56 show a magnetization reversal mechanism for a bottom pin type (pinned layer rightward) magnetoresistive effect element.

磁気抵抗効果素子MTJ1は、導電線13の上部に配置される。つまり、磁気抵抗効果素子MTJ1のピンド層は、磁気抵抗効果素子MTJ1のフリー層よりも導電線13側にある。   The magnetoresistive element MTJ <b> 1 is disposed on the conductive line 13. That is, the pinned layer of the magnetoresistive effect element MTJ1 is closer to the conductive line 13 than the free layer of the magnetoresistive effect element MTJ1.

この場合、図53及び図55に示すように、磁気抵抗効果素子MTJ1のフリー層のピンド層側の磁性体の磁化容易軸は、その上面からみて(図51及び図52の上部ビット線BLu1側から導電線13側をみて)、導電線13の長軸と一致した状態から左回転で角度θ(0<θ≦45°)だけ傾ける。   In this case, as shown in FIGS. 53 and 55, the easy axis of magnetization of the magnetic material on the pinned layer side of the free layer of the magnetoresistive element MTJ1 is viewed from the top surface (on the side of the upper bit line BLu1 in FIGS. 51 and 52). From the state coincident with the long axis of the conductive line 13, the counterclockwise tilt is made by an angle θ (0 <θ ≦ 45 °).

また、磁気抵抗効果素子MTJ2は、導電線13の下部に配置される。つまり、磁気抵抗効果素子MTJ2のフリー層は、磁気抵抗効果素子MTJ2のピン層よりも導電線13側にある。   In addition, the magnetoresistive element MTJ <b> 2 is disposed below the conductive line 13. That is, the free layer of the magnetoresistive element MTJ2 is closer to the conductive line 13 than the pinned layer of the magnetoresistive element MTJ2.

この場合、図54及び図56に示すように、磁気抵抗効果素子MTJ2のフリー層のピンド層側の磁性体の磁化容易軸は、その下面からみて(図51及び図52の上部ビット線BLu2側から導電線13側をみて)、導電線13の長軸と一致した状態から右回転で角度θ(0<θ≦45°)だけ傾ける。   In this case, as shown in FIGS. 54 and 56, the easy axis of magnetization of the magnetic material on the pinned layer side of the free layer of the magnetoresistive effect element MTJ2 is viewed from the bottom surface (on the side of the upper bit line BLu2 in FIGS. 51 and 52). From the state coincident with the long axis of the conductive wire 13, it is tilted by an angle θ (0 <θ ≦ 45 °) by rotating it clockwise.

尚、図54及び図56では、磁気抵抗効果素子MTJ2をその上面からみている(図51及び図52の導電線13側から上部ビット線BLu2側をみている)ため、左回転となっているが、これは、図53及び図55と対応をとるためであり、当然に、その下面からみれば、右回転となる。   In FIGS. 54 and 56, the magnetoresistive effect element MTJ2 is viewed from the upper surface (the conductive bit 13 side in FIGS. 51 and 52 is viewed from the upper bit line BLu2 side). This is to correspond to FIG. 53 and FIG. 55, and naturally, when viewed from the lower surface, the rotation is clockwise.

そして、磁気抵抗効果素子MTJ1の磁化状態を反平行状態から平行状態にするときは、図53に示すように、スピン注入電流Isを導電線13の一端から他端に向かって流す。ここで、導電線13の一端とは、磁気抵抗効果素子MTJ1が配置される側の端部であり、他端とは、スイッチ素子SWが接続される側の端部である。   When the magnetization state of the magnetoresistive element MTJ1 is changed from the antiparallel state to the parallel state, the spin injection current Is flows from one end of the conductive line 13 to the other end as shown in FIG. Here, one end of the conductive wire 13 is an end portion on the side where the magnetoresistive effect element MTJ1 is disposed, and the other end is an end portion on the side where the switch element SW is connected.

この場合、スピン注入電流Isにより発生するスピン偏極された電子の流れ(スピン流)は、磁気抵抗効果素子MTJ1のピンド層からフリー層に向かう。この時、ピンド層内の電子スピンと同じ向きに偏極された電子スピンは、SAF−フリー層のトンネルバリア層側の磁性体内の電子スピンにトルクを与える。   In this case, the spin-polarized electron flow (spin flow) generated by the spin injection current Is is directed from the pinned layer of the magnetoresistive effect element MTJ1 to the free layer. At this time, the electron spin polarized in the same direction as the electron spin in the pinned layer gives torque to the electron spin in the magnetic body on the tunnel barrier layer side of the SAF-free layer.

これと同時に、スピン注入電流Isにより発生する磁場Hは、導電線13の一端から他端をみた場合に、磁気抵抗効果素子MTJ1に対して右向きに作用する。この磁場Hの方向は、磁化反転のスタート時において、SAF−フリー層の2つの磁性体のうち大きな体積を持つ磁性体内の電子スピンの向き(磁化方向)に対して90°<相対角x≦135°となる方向である。   At the same time, the magnetic field H generated by the spin injection current Is acts rightward with respect to the magnetoresistive element MTJ1 when the other end of the conductive line 13 is viewed. The direction of the magnetic field H is 90 ° <relative angle x ≦ with respect to the direction (magnetization direction) of electron spin in the magnetic body having a large volume of the two magnetic bodies of the SAF-free layer at the start of magnetization reversal. The direction is 135 °.

従って、SAF−フリー層の磁化が反転し、磁気抵抗効果素子MTJ1の磁化状態が反平行状態から平行状態になる。   Therefore, the magnetization of the SAF-free layer is reversed, and the magnetization state of the magnetoresistive element MTJ1 is changed from the antiparallel state to the parallel state.

同様に、磁気抵抗効果素子MTJ2の磁化状態を平行状態から反平行状態にするときは、図54に示すように、スピン注入電流Isを導電線13の一端から他端に向かって流す。   Similarly, when the magnetization state of the magnetoresistive effect element MTJ2 is changed from the parallel state to the antiparallel state, the spin injection current Is flows from one end of the conductive line 13 to the other end as shown in FIG.

この場合、スピン注入電流Isにより発生するスピン偏極された電子の流れ(スピン流)は、磁気抵抗効果素子MTJ2のフリー層からピンド層に向かう。この時、ピンド層内の電子スピンと逆向きに偏極された電子スピンは、ピンド層で反射され、SAF−フリー層のトンネルバリア層側の磁性体内の電子スピンにトルクを与える。   In this case, the spin-polarized electron flow (spin flow) generated by the spin injection current Is is directed from the free layer to the pinned layer of the magnetoresistive effect element MTJ2. At this time, the electron spin polarized in the direction opposite to the electron spin in the pinned layer is reflected by the pinned layer and gives torque to the electron spin in the magnetic body on the tunnel barrier layer side of the SAF-free layer.

これと同時に、スピン注入電流Isにより発生する磁場Hは、導電線13の一端から他端をみた場合に、磁気抵抗効果素子MTJ2に対して左向きに作用する。この磁場Hの方向は、磁化反転のスタート時において、SAF−フリー層の2つの磁性体のうち大きな体積を持つ磁性体内の電子スピンの向き(磁化方向)に対して90°<相対角x≦135°となる方向である。   At the same time, the magnetic field H generated by the spin injection current Is acts leftward with respect to the magnetoresistive element MTJ2 when the other end of the conductive line 13 is viewed. The direction of the magnetic field H is 90 ° <relative angle x ≦ with respect to the direction (magnetization direction) of electron spin in the magnetic body having a large volume of the two magnetic bodies of the SAF-free layer at the start of magnetization reversal. The direction is 135 °.

従って、SAF−フリー層の磁化が反転し、磁気抵抗効果素子MTJ2の磁化状態が平行状態から反平行状態になる。   Therefore, the magnetization of the SAF-free layer is reversed, and the magnetization state of the magnetoresistive element MTJ2 is changed from the parallel state to the antiparallel state.

また、磁気抵抗効果素子MTJ1の磁化状態を平行状態から反平行状態にするときは、図55に示すように、スピン注入電流Isを導電線13の他端から一端に向かって流す。   Further, when the magnetization state of the magnetoresistive element MTJ1 is changed from the parallel state to the antiparallel state, the spin injection current Is flows from the other end of the conductive line 13 toward one end as shown in FIG.

この場合、スピン注入電流Isにより発生するスピン偏極された電子の流れ(スピン流)は、磁気抵抗効果素子MTJ1のフリー層からピンド層に向かう。この時、ピンド層内の電子スピンと逆向きに偏極された電子スピンは、ピンド層で反射され、SAF−フリー層のトンネルバリア層側の磁性体内の電子スピンにトルクを与える。   In this case, the spin-polarized electron flow (spin flow) generated by the spin injection current Is is directed from the free layer to the pinned layer of the magnetoresistive effect element MTJ1. At this time, the electron spin polarized in the direction opposite to the electron spin in the pinned layer is reflected by the pinned layer and gives torque to the electron spin in the magnetic body on the tunnel barrier layer side of the SAF-free layer.

これと同時に、スピン注入電流Isにより発生する磁場Hは、導電線13の他端から一端をみた場合に、磁気抵抗効果素子MTJ1に対して右向きに作用する。この磁場Hの方向は、磁化反転のスタート時において、SAF−フリー層の2つの磁性体のうち大きな体積を持つ磁性体内の電子スピンの向き(磁化方向)に対して90°<相対角x≦135°となる方向である。   At the same time, the magnetic field H generated by the spin injection current Is acts rightward with respect to the magnetoresistive element MTJ1 when one end is viewed from the other end of the conductive line 13. The direction of the magnetic field H is 90 ° <relative angle x ≦ with respect to the direction (magnetization direction) of electron spin in the magnetic body having a large volume of the two magnetic bodies of the SAF-free layer at the start of magnetization reversal. The direction is 135 °.

従って、SAF−フリー層の磁化が反転し、磁気抵抗効果素子MTJ1の磁化状態が平行状態から反平行状態になる。   Accordingly, the magnetization of the SAF-free layer is reversed, and the magnetization state of the magnetoresistive element MTJ1 is changed from the parallel state to the antiparallel state.

同様に、磁気抵抗効果素子MTJ2の磁化状態を反平行状態から平行状態にするときは、図56に示すように、スピン注入電流Isを導電線13の他端から一端に向かって流す。   Similarly, when the magnetization state of the magnetoresistive element MTJ2 is changed from the antiparallel state to the parallel state, the spin injection current Is is caused to flow from the other end of the conductive line 13 toward one end as shown in FIG.

この場合、スピン注入電流Isにより発生するスピン偏極された電子の流れ(スピン流)は、磁気抵抗効果素子MTJ2のピンド層からフリー層に向かう。この時、ピンド層内の電子スピンと同じ向きに偏極された電子スピンは、SAF−フリー層のトンネルバリア層側の磁性体内の電子スピンにトルクを与える。   In this case, the spin-polarized electron flow (spin current) generated by the spin injection current Is is directed from the pinned layer of the magnetoresistive effect element MTJ2 to the free layer. At this time, the electron spin polarized in the same direction as the electron spin in the pinned layer gives torque to the electron spin in the magnetic body on the tunnel barrier layer side of the SAF-free layer.

これと同時に、スピン注入電流Isにより発生する磁場Hは、導電線13の他端から一端をみた場合に、磁気抵抗効果素子MTJ2に対して左向きに作用する。この磁場Hの方向は、磁化反転のスタート時において、SAF−フリー層の2つの磁性体のうち大きな体積を持つ磁性体内の電子スピンの向き(磁化方向)に対して90°<相対角x≦135°となる方向である。   At the same time, the magnetic field H generated by the spin injection current Is acts leftward with respect to the magnetoresistive effect element MTJ2 when one end is viewed from the other end of the conductive line 13. The direction of the magnetic field H is 90 ° <relative angle x ≦ with respect to the direction (magnetization direction) of electron spin in the magnetic body having a large volume of the two magnetic bodies of the SAF-free layer at the start of magnetization reversal. The direction is 135 °.

従って、SAF−フリー層の磁化が反転し、磁気抵抗効果素子MTJ2の磁化状態が反平行状態から平行状態になる。   Therefore, the magnetization of the SAF-free layer is reversed, and the magnetization state of the magnetoresistive element MTJ2 is changed from the antiparallel state to the parallel state.

尚、ボトムピン型(ピンド層左向き)の磁化反転メカニズムについては、ボトムピン型(ピンド層右向き)と同様に考えることができるため、ここでは、その説明を省略する。   Note that the bottom pin type (pinned layer leftward) magnetization reversal mechanism can be considered in the same manner as the bottom pin type (pinned layer rightward), and therefore the description thereof is omitted here.

b. トップピン型(ピンド層右向き)
図57乃至図60は、トップピン型(ピンド層右向き)の磁気抵抗効果素子に対する磁化反転メカニズムを示している。
b. Top pin type (pinned layer facing right)
57 to 60 show a magnetization reversal mechanism for a top pin type (pinned layer rightward) magnetoresistive effect element.

磁気抵抗効果素子MTJ1は、導電線13の上部に配置される。つまり、磁気抵抗効果素子MTJ1のフリー層は、磁気抵抗効果素子MTJ1のピンド層よりも導電線13側にある。   The magnetoresistive element MTJ <b> 1 is disposed on the conductive line 13. That is, the free layer of the magnetoresistive effect element MTJ1 is closer to the conductive line 13 than the pinned layer of the magnetoresistive effect element MTJ1.

この場合、図57及び図59に示すように、磁気抵抗効果素子MTJ1のフリー層のピンド層側の磁性体の磁化容易軸は、その上面からみて(図51及び図52の上部ビット線BLu1側から導電線13側をみて)、導電線13の長軸と一致した状態から右回転で角度θ(0<θ≦45°)だけ傾ける。   In this case, as shown in FIGS. 57 and 59, the magnetization easy axis of the magnetic body on the pinned layer side of the free layer of the magnetoresistive element MTJ1 is viewed from the top surface (on the side of the upper bit line BLu1 in FIGS. 51 and 52). From the state coincident with the long axis of the conductive wire 13, it is tilted by an angle θ (0 <θ ≦ 45 °) by rotating it clockwise.

また、磁気抵抗効果素子MTJ2は、導電線13の下部に配置される。つまり、磁気抵抗効果素子MTJ2のピンド層は、磁気抵抗効果素子MTJ2のフリー層よりも導電線13側にある。   In addition, the magnetoresistive element MTJ <b> 2 is disposed below the conductive line 13. That is, the pinned layer of the magnetoresistive effect element MTJ2 is closer to the conductive line 13 than the free layer of the magnetoresistive effect element MTJ2.

この場合、図58及び図60に示すように、磁気抵抗効果素子MTJ2のフリー層のピンド層側の磁性体の磁化容易軸は、その下面からみて(図51及び図52の上部ビット線BLu2側から導電線13側をみて)、導電線13の長軸と一致した状態から左回転で角度θ(0<θ≦45°)だけ傾ける。   In this case, as shown in FIGS. 58 and 60, the easy axis of magnetization of the magnetic material on the pinned layer side of the free layer of the magnetoresistive effect element MTJ2 is viewed from the bottom surface (on the side of the upper bit line BLu2 in FIGS. 51 and 52). From the state coincident with the long axis of the conductive line 13, the counterclockwise tilt is made by an angle θ (0 <θ ≦ 45 °).

尚、図58及び図60では、磁気抵抗効果素子MTJ2をその上面からみている(図51及び図52の導電線13側から上部ビット線BLu2側をみている)ため、右回転となっているが、これは、図57及び図59と対応をとるためであり、当然に、その下面からみれば、左回転となる。   In FIGS. 58 and 60, the magnetoresistive element MTJ2 is viewed from the top surface (from the conductive line 13 side to the upper bit line BLu2 side in FIGS. 51 and 52), and thus is rotated clockwise. This is to correspond to FIG. 57 and FIG. 59, and naturally, when viewed from the lower surface, the rotation is counterclockwise.

そして、磁気抵抗効果素子MTJ1の磁化状態を反平行状態から平行状態にするときは、図57に示すように、スピン注入電流Isを導電線13の他端から一端に向かって流す。   When the magnetization state of the magnetoresistive element MTJ1 is changed from the antiparallel state to the parallel state, the spin injection current Is is caused to flow from the other end of the conductive line 13 toward one end as shown in FIG.

この場合、スピン注入電流Isにより発生するスピン偏極された電子の流れ(スピン流)は、磁気抵抗効果素子MTJ1のピンド層からフリー層に向かう。この時、ピンド層内の電子スピンと同じ向きに偏極された電子スピンは、SAF−フリー層のトンネルバリア層側の磁性体内の電子スピンにトルクを与える。   In this case, the spin-polarized electron flow (spin flow) generated by the spin injection current Is is directed from the pinned layer of the magnetoresistive effect element MTJ1 to the free layer. At this time, the electron spin polarized in the same direction as the electron spin in the pinned layer gives torque to the electron spin in the magnetic body on the tunnel barrier layer side of the SAF-free layer.

これと同時に、スピン注入電流Isにより発生する磁場Hは、導電線13の他端から一端をみた場合に、磁気抵抗効果素子MTJ1に対して右向きに作用する。この磁場Hの方向は、磁化反転のスタート時において、SAF−フリー層の2つの磁性体のうち大きな体積を持つ磁性体内の電子スピンの向き(磁化方向)に対して90°<相対角x≦135°となる方向である。   At the same time, the magnetic field H generated by the spin injection current Is acts rightward with respect to the magnetoresistive element MTJ1 when one end is viewed from the other end of the conductive line 13. The direction of the magnetic field H is 90 ° <relative angle x ≦ with respect to the direction (magnetization direction) of electron spin in the magnetic body having a large volume of the two magnetic bodies of the SAF-free layer at the start of magnetization reversal. The direction is 135 °.

従って、SAF−フリー層の磁化が反転し、磁気抵抗効果素子MTJ1の磁化状態が反平行状態から平行状態になる。   Therefore, the magnetization of the SAF-free layer is reversed, and the magnetization state of the magnetoresistive element MTJ1 is changed from the antiparallel state to the parallel state.

同様に、磁気抵抗効果素子MTJ2の磁化状態を平行状態から反平行状態にするときは、図58に示すように、スピン注入電流Isを導電線13の他端から一端に向かって流す。   Similarly, when the magnetization state of the magnetoresistive element MTJ2 is changed from the parallel state to the antiparallel state, the spin injection current Is flows from the other end of the conductive line 13 toward one end as shown in FIG.

この場合、スピン注入電流Isにより発生するスピン偏極された電子の流れ(スピン流)は、磁気抵抗効果素子MTJ2のフリー層からピンド層に向かう。この時、ピンド層内の電子スピンと逆向きに偏極された電子スピンは、ピンド層で反射され、SAF−フリー層のトンネルバリア層側の磁性体内の電子スピンにトルクを与える。   In this case, the spin-polarized electron flow (spin flow) generated by the spin injection current Is is directed from the free layer to the pinned layer of the magnetoresistive effect element MTJ2. At this time, the electron spin polarized in the direction opposite to the electron spin in the pinned layer is reflected by the pinned layer and gives torque to the electron spin in the magnetic body on the tunnel barrier layer side of the SAF-free layer.

これと同時に、スピン注入電流Isにより発生する磁場Hは、導電線13の他端から一端をみた場合に、磁気抵抗効果素子MTJ2に対して左向きに作用する。この磁場Hの方向は、磁化反転のスタート時において、SAF−フリー層の2つの磁性体のうち大きな体積を持つ磁性体内の電子スピンの向き(磁化方向)に対して90°<相対角x≦135°となる方向である。   At the same time, the magnetic field H generated by the spin injection current Is acts leftward with respect to the magnetoresistive effect element MTJ2 when one end is viewed from the other end of the conductive line 13. The direction of the magnetic field H is 90 ° <relative angle x ≦ with respect to the direction (magnetization direction) of electron spin in the magnetic body having a large volume of the two magnetic bodies of the SAF-free layer at the start of magnetization reversal. The direction is 135 °.

従って、SAF−フリー層の磁化が反転し、磁気抵抗効果素子MTJ2の磁化状態が平行状態から反平行状態になる。   Therefore, the magnetization of the SAF-free layer is reversed, and the magnetization state of the magnetoresistive element MTJ2 is changed from the parallel state to the antiparallel state.

また、磁気抵抗効果素子MTJ1の磁化状態を平行状態から反平行状態にするときは、図59に示すように、スピン注入電流Isを導電線13の一端から他端に向かって流す。   Further, when the magnetization state of the magnetoresistive element MTJ1 is changed from the parallel state to the antiparallel state, the spin injection current Is is passed from one end of the conductive line 13 to the other end as shown in FIG.

この場合、スピン注入電流Isにより発生するスピン偏極された電子の流れ(スピン流)は、磁気抵抗効果素子MTJ1のフリー層からピンド層に向かう。この時、ピンド層内の電子スピンと逆向きに偏極された電子スピンは、ピンド層で反射され、SAF−フリー層のトンネルバリア層側の磁性体内の電子スピンにトルクを与える。   In this case, the spin-polarized electron flow (spin flow) generated by the spin injection current Is is directed from the free layer to the pinned layer of the magnetoresistive effect element MTJ1. At this time, the electron spin polarized in the direction opposite to the electron spin in the pinned layer is reflected by the pinned layer and gives torque to the electron spin in the magnetic body on the tunnel barrier layer side of the SAF-free layer.

これと同時に、スピン注入電流Isにより発生する磁場Hは、導電線13の一端から他端をみた場合に、磁気抵抗効果素子MTJ1に対して右向きに作用する。この磁場Hの方向は、磁化反転のスタート時において、SAF−フリー層の2つの磁性体のうち大きな体積を持つ磁性体内の電子スピンの向き(磁化方向)に対して90°<相対角x≦135°となる方向である。   At the same time, the magnetic field H generated by the spin injection current Is acts rightward with respect to the magnetoresistive element MTJ1 when the other end of the conductive line 13 is viewed. The direction of the magnetic field H is 90 ° <relative angle x ≦ with respect to the direction (magnetization direction) of electron spin in the magnetic body having a large volume of the two magnetic bodies of the SAF-free layer at the start of magnetization reversal. The direction is 135 °.

従って、SAF−フリー層の磁化が反転し、磁気抵抗効果素子MTJ1の磁化状態が平行状態から反平行状態になる。   Accordingly, the magnetization of the SAF-free layer is reversed, and the magnetization state of the magnetoresistive element MTJ1 is changed from the parallel state to the antiparallel state.

同様に、磁気抵抗効果素子MTJ2の磁化状態を反平行状態から平行状態にするときは、図60に示すように、スピン注入電流Isを導電線13の一端から他端に向かって流す。   Similarly, when the magnetization state of the magnetoresistive effect element MTJ2 is changed from the antiparallel state to the parallel state, the spin injection current Is flows from one end of the conductive line 13 toward the other end, as shown in FIG.

この場合、スピン注入電流Isにより発生するスピン偏極された電子の流れ(スピン流)は、磁気抵抗効果素子MTJ2のピンド層からフリー層に向かう。この時、ピンド層内の電子スピンと同じ向きに偏極された電子スピンは、SAF−フリー層のトンネルバリア層側の磁性体内の電子スピンにトルクを与える。   In this case, the spin-polarized electron flow (spin current) generated by the spin injection current Is is directed from the pinned layer of the magnetoresistive effect element MTJ2 to the free layer. At this time, the electron spin polarized in the same direction as the electron spin in the pinned layer gives torque to the electron spin in the magnetic body on the tunnel barrier layer side of the SAF-free layer.

これと同時に、スピン注入電流Isにより発生する磁場Hは、導電線13の一端から他端をみた場合に、磁気抵抗効果素子MTJ1に対して左向きに作用する。この磁場Hの方向は、磁化反転のスタート時において、SAF−フリー層の2つの磁性体のうち大きな体積を持つ磁性体内の電子スピンの向き(磁化方向)に対して90°<相対角x≦135°となる方向である。   At the same time, the magnetic field H generated by the spin injection current Is acts leftward with respect to the magnetoresistive element MTJ1 when the other end of the conductive line 13 is viewed. The direction of the magnetic field H is 90 ° <relative angle x ≦ with respect to the direction (magnetization direction) of electron spin in the magnetic body having a large volume of the two magnetic bodies of the SAF-free layer at the start of magnetization reversal. The direction is 135 °.

従って、SAF−フリー層の磁化が反転し、磁気抵抗効果素子MTJ2の磁化状態が反平行状態から平行状態になる。   Therefore, the magnetization of the SAF-free layer is reversed, and the magnetization state of the magnetoresistive element MTJ2 is changed from the antiparallel state to the parallel state.

尚、トップピン型(ピンド層左向き)の磁化反転メカニズムについては、トップピン型(ピンド層右向き)と同様に考えることができるため、ここでは、その説明を省略する。   Note that the top pin type (pinned layer leftward) magnetization reversal mechanism can be considered in the same manner as the top pin type (pinned layer rightward), and therefore the description thereof is omitted here.

C. まとめ
このように、第8実施の形態によれば、導電線13の上下に配置された2つの磁気抵抗効果素子MTJ1,MTJ2に対して、独立にデータを書き込むことができるし、また、相補データを同時に書き込むこともできる。
C. Summary
Thus, according to the eighth embodiment, data can be written independently to the two magnetoresistive elements MTJ1 and MTJ2 arranged above and below the conductive line 13, and complementary data can be written. You can write at the same time.

(9) 第9実施の形態
第9実施の形態は、材料及びサイズに関する。
(9) Ninth embodiment
The ninth embodiment relates to materials and sizes.

まず、磁化固着層としてのピンド層は、一方向異方性を有し、磁気記録層としてのフリー層は、一軸異方性を有することが好ましい。また、ピンド層及びフリー層の厚さは、それぞれ0.1nm 〜 100nmの範囲内の値とするのが好ましい。   First, the pinned layer as the magnetization pinned layer preferably has unidirectional anisotropy, and the free layer as the magnetic recording layer preferably has uniaxial anisotropy. Further, the thicknesses of the pinned layer and the free layer are preferably set to values in the range of 0.1 nm to 100 nm, respectively.

ピンド層又はフリー層を構成する強磁性体は、超常磁性にならないことが必要であり、そのためには、両者ともに、その厚さを0.4nm以上にすることが好ましい。   The ferromagnetic material constituting the pinned layer or the free layer is required not to be superparamagnetic. For this purpose, it is preferable that the thickness of both is 0.4 nm or more.

ピンド層の磁化方向を反強磁性層により固着する場合、反強磁性層は、Fe(鉄)-Mn(マンガン), Pt(白金)-Mn(マンガン), Pt(白金)-Cr(クロム)-Mn(マンガン), Ni(ニッケル)-Mn(マンガン), Ir(イリジウム)-Mn(マンガン), NiO(酸化ニッケル), Fe2O3 のグループから選択される1つにより構成する。 When the magnetization direction of the pinned layer is fixed by an antiferromagnetic layer, the antiferromagnetic layer is composed of Fe (iron) -Mn (manganese), Pt (platinum) -Mn (manganese), Pt (platinum) -Cr (chromium). -Mn (manganese), Ni (nickel) -Mn (manganese), Ir (iridium) -Mn (manganese), NiO (nickel oxide), and composed of one selected from Fe 2 O 3 .

反強磁性層を構成する磁性体内には、Ag(銀), Cu(銅), Au(金), Al(アルミニウム), Mg(マグネシウム), Si(シリコン), Bi(ビスマス), Ta(タンタル), B(ボロン), C(炭素), O(酸素), N(窒素), Pd(パラジウム), Pt(白金), Zr(ジルコニウム), Ir(イリジウム), W(タングステン), Mo(モリブデン), Nb(ニオブ), B(ボロン)などの非磁性元素を添加し、その磁気特性、結晶性、機械特性、化学特性などを含む物性を制御してもよい。   In the magnetic body constituting the antiferromagnetic layer, Ag (silver), Cu (copper), Au (gold), Al (aluminum), Mg (magnesium), Si (silicon), Bi (bismuth), Ta (tantalum) ), B (boron), C (carbon), O (oxygen), N (nitrogen), Pd (palladium), Pt (platinum), Zr (zirconium), Ir (iridium), W (tungsten), Mo (molybdenum) ), Nb (niobium), B (boron) and other nonmagnetic elements may be added to control the physical properties including magnetic properties, crystallinity, mechanical properties, chemical properties, and the like.

ピンド層の磁化方向を反強磁性層により固着すると、ピンド層の磁化がビット線やワード線からの磁界に影響され難くなり、しっかりと磁化が固着される。また、ピンド層からの漏洩磁界(stray field)を減少でき、さらに、ピンド層を構成する強磁性体の厚さを変えて、フリー層の磁化のシフトを調整できる。   When the magnetization direction of the pinned layer is fixed by the antiferromagnetic layer, the magnetization of the pinned layer is hardly affected by the magnetic field from the bit line or the word line, and the magnetization is firmly fixed. Further, the stray field from the pinned layer can be reduced, and the thickness of the ferromagnetic material constituting the pinned layer can be changed to adjust the magnetization shift of the free layer.

ピンド層は、3層構造、例えば、Co(Co-Fe)/ Ru/ Co(Co-Fe), Co(Co-Fe)/ Ir/ Co(Co-Fe), Co(Co-Fe)/ Os(オスニウム)/ Co-(Co-Fe), Co(Co-Fe)/ Re(レニウム)/ Co-(Co-Fe), Co-Fe-B などのアモルファス材料/ Ru/ Co-Fe-Bなどのアモルファス材料, Co-Fe-B などのアモルファス材料/ Ir/ Co-Fe-Bなどのアモルファス材料, Co-Fe-B などのアモルファス材料/ Os/ Co-Fe-Bなどのアモルファス材料, Co-Fe-B などのアモルファス材料/ Re/ Co-Fe-Bなどのアモルファス材料などから構成する。   The pinned layer has a three-layer structure, for example, Co (Co-Fe) / Ru / Co (Co-Fe), Co (Co-Fe) / Ir / Co (Co-Fe), Co (Co-Fe) / Os (Osnium) / Co- (Co-Fe), Co (Co-Fe) / Re (Rhenium) / Co- (Co-Fe), Amorphous materials such as Co-Fe-B / Ru / Co-Fe-B, etc. Amorphous material such as Co-Fe-B / Amorphous material such as Ir / Co-Fe-B, Amorphous material such as Co-Fe-B / Amorphous material such as Os / Co-Fe-B, Co- It consists of amorphous materials such as Fe-B / amorphous materials such as Re / Co-Fe-B.

フリー層は、軟磁性体/強磁性体からなる2層構造、又は、強磁性体/軟磁性体/強磁性体からなる3層構造としてもよい。フリー層は、強磁性体/非磁性体/強磁性体という3層構造、さらには、強磁性体/非磁性体/強磁性体/非磁性体/強磁性体からなる5層構造とし、強磁性体同士の磁気相互作用の強さを制御すれば、フリー層のサイズがサブミクロン以下になっても、消費電力の増大は抑えることができる。   The free layer may have a two-layer structure made of soft magnetic material / ferromagnetic material or a three-layer structure made of ferromagnetic material / soft magnetic material / ferromagnetic material. The free layer has a three-layer structure of ferromagnetic material / non-magnetic material / ferromagnetic material, and further has a five-layer structure of ferromagnetic material / non-magnetic material / ferromagnetic material / non-magnetic material / ferromagnetic material. By controlling the strength of the magnetic interaction between the magnetic bodies, an increase in power consumption can be suppressed even when the size of the free layer is submicron or less.

このようなフリー層を構成する強磁性体の種類や厚さなどについては、磁気抵抗効果素子の特性を考慮して決定する。   The type and thickness of the ferromagnetic material constituting such a free layer are determined in consideration of the characteristics of the magnetoresistive element.

特に、トンネルバリア層に接触する強磁性体は、MR比に与える影響が大きいため、磁気抵抗効果素子のMR比を大きくするような材料、例えば、Co-Fe, Co-Fe-Ni, FeリッチNi-Fe などから構成する。また、トンネルバリア層に接触しない強磁性体は、NiリッチNi-Fe, NiリッチNi-Fe-Co などから構成し、大きなMR比を確保しつつ、スイッチング磁場の低減を図る。   In particular, the ferromagnetic material in contact with the tunnel barrier layer has a large influence on the MR ratio, so that a material that increases the MR ratio of the magnetoresistive effect element, for example, Co-Fe, Co-Fe-Ni, Fe rich Consists of Ni-Fe, etc. In addition, the ferromagnetic material that does not contact the tunnel barrier layer is made of Ni-rich Ni-Fe, Ni-rich Ni-Fe-Co, etc., and reduces the switching magnetic field while ensuring a large MR ratio.

また、フリー層の構造を、2つの強磁性体とこれらの間の非磁性体とからなる多層構造とし、2つの強磁性体の間の磁気相互作用を反強磁性結合又は強磁性結合させれば、さらなるスイッチング磁場の低減に貢献できる。   In addition, the structure of the free layer can be a multilayer structure composed of two ferromagnets and a non-magnetic material between them, and the magnetic interaction between the two ferromagnets can be antiferromagnetically or ferromagnetically coupled. This can contribute to further reduction of the switching magnetic field.

フリー層を構成する磁性体内には、Ag(銀), Cu(銅), Au(金), Al(アルミニウム), Mg(マグネシウム), Si(シリコン), Bi(ビスマス), Ta(タンタル), B(ボロン), C(炭素), O(酸素), N(窒素), Pd(パラジウム), Pt(白金), Zr(ジルコニウム), Ir(イリジウム), W(タングステン), Mo(モリブデン), Nb(ニオブ), B(ボロン)などの非磁性元素を添加し、その磁気特性、結晶性、機械特性、化学特性などを含む物性を制御してもよい。   In the magnetic body constituting the free layer, Ag (silver), Cu (copper), Au (gold), Al (aluminum), Mg (magnesium), Si (silicon), Bi (bismuth), Ta (tantalum), B (boron), C (carbon), O (oxygen), N (nitrogen), Pd (palladium), Pt (platinum), Zr (zirconium), Ir (iridium), W (tungsten), Mo (molybdenum), A nonmagnetic element such as Nb (niobium) or B (boron) may be added to control the physical properties including magnetic properties, crystallinity, mechanical properties, chemical properties, and the like.

非磁性材料は、Ag(銀), Cu(銅), Au(金), Al(アルミニウム), Ru(ルテニウム), Os(オスニウム), Re(レニウム), Si(シリコン), Bi(ビスマス), Ta(タンタル), B(ボロン), C(炭素), Pd(パラジウム), Pt(白金), Zr(ジルコニウム), Ir(イリジウム), W(タングステン), Mo(モリブデン), Nb(ニオブ)、又は、これらの少なくとも1つを含む合金から構成する。   Nonmagnetic materials are Ag (silver), Cu (copper), Au (gold), Al (aluminum), Ru (ruthenium), Os (osnium), Re (rhenium), Si (silicon), Bi (bismuth), Ta (tantalum), B (boron), C (carbon), Pd (palladium), Pt (platinum), Zr (zirconium), Ir (iridium), W (tungsten), Mo (molybdenum), Nb (niobium), Or it comprises an alloy containing at least one of these.

トンネルバリア層は、Al2O3(酸化アルミニウム), SiO2(酸化シリコン), MgO(酸化マグネシウム), AlN(窒化アルミニウム), Bi2O3(酸化ビスマス), MgF2(フッ化マグネシウム), CaF2(フッ化カルシウム), SrTiO2(酸化チタン・ストロンチウム), AlLaO3(酸化ランタン・アルミニウム), Al-N-O(酸化窒化アルニウム)などの絶縁体(誘電体)から構成する。 The tunnel barrier layer consists of Al 2 O 3 (aluminum oxide), SiO 2 (silicon oxide), MgO (magnesium oxide), AlN (aluminum nitride), Bi 2 O 3 (bismuth oxide), MgF 2 (magnesium fluoride), Consists of insulators (dielectrics) such as CaF 2 (calcium fluoride), SrTiO 2 (titanium oxide / strontium), AlLaO 3 (lanthanum oxide / aluminum), Al-NO (aluminum oxynitride).

トンネルバリア層の厚さは、トンネル電流が流れる程度に薄い方が好ましいため、例えば、10nm以下の値に設定する。   Since the thickness of the tunnel barrier layer is preferably thin enough to allow the tunnel current to flow, it is set to a value of 10 nm or less, for example.

尚、これらの化合物は、化学量論的にみて、完全に正確な組成である必要はなく、酸素、窒素、フッ素などの欠損、あるいは過不足が存在していてもよい。   In addition, these compounds do not need to have a completely accurate composition in terms of stoichiometry, and defects such as oxygen, nitrogen, fluorine and the like may exist.

磁気抵抗効果素子を構成する各層は、例えば、スパッタ法、CVD法、分子線エピタキシャル法などの一般的な薄膜の形成方法を用いて基板の上部に形成する。ここで、基板としては、例えば、Si(シリコン)などの半導体基板の他、SiO2(酸化シリコン), Al2O3(酸化アルミニウム), スピネル, AlN(窒化アルニウム)などからなる基板を使用できる。 Each layer constituting the magnetoresistive effect element is formed on the upper portion of the substrate by using a general thin film forming method such as sputtering, CVD, or molecular beam epitaxial. Here, as the substrate, for example, a substrate made of SiO 2 (silicon oxide), Al 2 O 3 (aluminum oxide), spinel, AlN (aluminum nitride), or the like can be used in addition to a semiconductor substrate such as Si (silicon). .

また、基板と磁気抵抗効果素子との間に、下地層、保護層、又は、ハードマスクを配置してもよい。   Moreover, you may arrange | position a base layer, a protective layer, or a hard mask between a board | substrate and a magnetoresistive effect element.

これらの層は、Ta(タンタル), Ti(チタン), Pt(白金), Pd(パラジウム), Au(金), Ti(チタン)/Pt(白金), Ta(タンタル)/Pt(白金), Ti(チタン)/Pd(パラジウム), Ta(タンタル)/Pd(パラジウム), Cu(銅), Al(アルミニウム)-Cu(銅), Ru(ルテニウム), Ir(イリジウム), Os(オスミウム)などから構成する。   These layers are Ta (tantalum), Ti (titanium), Pt (platinum), Pd (palladium), Au (gold), Ti (titanium) / Pt (platinum), Ta (tantalum) / Pt (platinum), Ti (titanium) / Pd (palladium), Ta (tantalum) / Pd (palladium), Cu (copper), Al (aluminum) -Cu (copper), Ru (ruthenium), Ir (iridium), Os (osmium), etc. Consists of.

尚、磁気抵抗効果素子を構成する磁性体は、一般には、Ni-Fe, Co-Fe, Co-Fe-Niのグループから選択される合金、(Co, Fe, Ni)-B, (Co, Fe, Ni)-B-(P, Al, Mo, Nb, Mn), Co-(Zr, Hf, Nb, Ta, Ti)のグループから選択されるアモルファス材料、及び、Co-Cr-Fe-Al, Co-Cr-Fe-Si, Co-Mn-Si, Co-Mn-Al のグループから選択されるホイスラー材料のうちの少なくとも1つから選択される。   The magnetic body constituting the magnetoresistive effect element is generally an alloy selected from the group of Ni-Fe, Co-Fe, Co-Fe-Ni, (Co, Fe, Ni) -B, (Co, Fe, Ni) -B- (P, Al, Mo, Nb, Mn), Co- (Zr, Hf, Nb, Ta, Ti), an amorphous material selected from the group, and Co-Cr-Fe-Al , Co-Cr-Fe-Si, Co-Mn-Si, or Co-Mn-Al.

但し、括弧内に含まれる複数の元素は、それらのうちの少なくとも1つが選択されることを意味する。   However, a plurality of elements included in parentheses means that at least one of them is selected.

(10) 第10実施の形態
第10実施の形態は、ヨーク構造により、アシスト磁場を効率よく磁気抵抗効果素子に与える技術に関する。
(10) Tenth embodiment
The tenth embodiment relates to a technique for efficiently applying an assist magnetic field to a magnetoresistive effect element by a yoke structure.

図61及び図62は、メモリセル構造の例を示している。   61 and 62 show examples of the memory cell structure.

半導体基板11内には、STI構造の素子分離絶縁層12が配置される。素子分離絶縁層12により囲まれた素子領域内には、スイッチ素子SWとして、例えば、MISFET(MOSFETを含む)が配置される。スイッチ素子SWの一端は、コンタクトパーツAを介して、導電線としての下部ビット線BLdに接続される。下部ビット線BLdは、例えば、カラム方向に延びる。   An element isolation insulating layer 12 having an STI structure is disposed in the semiconductor substrate 11. In the element region surrounded by the element isolation insulating layer 12, for example, a MISFET (including a MOSFET) is disposed as the switch element SW. One end of the switch element SW is connected to the lower bit line BLd as a conductive line through the contact part A. The lower bit line BLd extends in the column direction, for example.

図61の例では、導電線13は、ヨーク構造を有し、導電体13aと、導電体13aの下面と側面とを覆う軟磁性体13bとから構成される。磁気抵抗効果素子MTJは、導電線13の一端に配置される。導電線13の他端は、コンタクトパーツBを介して、スイッチ素子SWの他端に接続される。   In the example of FIG. 61, the conductive wire 13 has a yoke structure and is composed of a conductor 13a and a soft magnetic body 13b that covers the lower surface and side surfaces of the conductor 13a. The magnetoresistive element MTJ is disposed at one end of the conductive wire 13. The other end of the conductive line 13 is connected to the other end of the switch element SW via the contact part B.

磁気抵抗効果素子MTJ上には、ビアプラグ、金属ハードマスクなどのコンタクトパーツ14を介して、導電線としての上部ビット線BLuが配置される。上部ビット線BLuは、例えば、カラム方向に延びる。上部ビット線BLuは、ヨーク構造を有し、導電体13cと、導電体13cの上面と側面とを覆う軟磁性体13dとから構成される。   On the magnetoresistive effect element MTJ, an upper bit line BLu as a conductive line is arranged via a contact part 14 such as a via plug or a metal hard mask. The upper bit line BLu extends, for example, in the column direction. The upper bit line BLu has a yoke structure, and includes a conductor 13c and a soft magnetic body 13d that covers the upper surface and side surfaces of the conductor 13c.

図61の例では、磁気抵抗効果素子MTJの上部及び下部に配置される導電線の各々がヨーク構造を有し、図62の例では、磁気抵抗効果素子MTJの上部に配置される導電線がヨーク構造を有する。   In the example of FIG. 61, each of the conductive lines arranged above and below the magnetoresistive effect element MTJ has a yoke structure, and in the example of FIG. 62, the conductive lines arranged above the magnetoresistive effect element MTJ are It has a yoke structure.

磁気抵抗効果素子MTJのレイアウトについては、第4及び第5実施の形態に従うものとする。   The layout of the magnetoresistive element MTJ is according to the fourth and fifth embodiments.

このような構造によれば、導電線13のみをヨーク構造にする場合と同様に、アシスト磁場の磁力線を収束して、アシスト磁場を効率よく磁気抵抗効果素子に与えることができる。   According to such a structure, the magnetic field lines of the assist magnetic field can be converged and the assist magnetic field can be efficiently applied to the magnetoresistive effect element, similarly to the case where only the conductive wire 13 has the yoke structure.

4. 実施例
以下、本発明の実施例を説明する。
4). Example
Examples of the present invention will be described below.

(1) 第1実施例
第1実施例では、ボトムピン型の2つのサンプルに基づき、スピン注入電流の低減に関する効果を検証する。
(1) First embodiment
In the first embodiment, the effect of reducing the spin injection current is verified based on two bottom pin type samples.

一つは、図17(a)のボトムピン型磁気抵抗効果素子と図24のメモリセル構造を有するサンプル(Sample 1)で、他の一つは、図18のボトムピン型磁気抵抗効果素子と図24のメモリセル構造を有するサンプル(Sample 2)である。   One is a sample (Sample 1) having the bottom pin type magnetoresistive effect element of FIG. 17A and the memory cell structure of FIG. 24, and the other is the bottom pin type magnetoresistive effect element of FIG. This is a sample (Sample 2) having the memory cell structure.

図17(a)の場合、導電線(下部電極)は、Ta/Cu/Taの積層構造とし、下地層は、Ruとする。反強磁性層は、Ir-Mn(10nm)とし、ピンド層としての強磁性層は、ここでは、CoFe(2nm)/Ru(1.5nm)/CoFeB(2nm)の3層構造とする。トンネルバリア層は、MgO(1nm)とし、SAF−フリー層は、CoFeB(2nm)/Ru(0.9nm)/CoFeB(2nm)の3層構造とする。キャップ層は、Ruから構成する。   In the case of FIG. 17A, the conductive wire (lower electrode) has a Ta / Cu / Ta laminated structure, and the underlying layer is Ru. The antiferromagnetic layer is Ir-Mn (10 nm), and the ferromagnetic layer as the pinned layer is a three-layer structure of CoFe (2 nm) / Ru (1.5 nm) / CoFeB (2 nm) here. The tunnel barrier layer is made of MgO (1 nm), and the SAF-free layer has a three-layer structure of CoFeB (2 nm) / Ru (0.9 nm) / CoFeB (2 nm). The cap layer is made of Ru.

図18の場合、導電線(下部電極)は、Ta/Cu/Taの積層構造とし、下地層は、Ruとする。反強磁性層は、Ir-Mn(10nm)とし、ピンド層としての強磁性層は、ここでは、CoFe(2nm)/Ru(1.5nm)/CoFeB(2nm)の3層構造とする。トンネルバリア層は、MgO(1nm)とし、SAF−フリー層は、CoFeB(2nm)/Ru(0.9nm)/CoFeB(2nm)の3層構造とする。非磁性層は、AlOx(0.6nm)/Ru(3nm)の2層構造とし、非磁性層上にCoFe(3nm)/Ru(0.9nm)/CoFe(3nm)の3層からなるピンド層及びIr-Mn(10nm)からなる反強磁性層を配置する。キャップ層は、Ruから構成する。   In the case of FIG. 18, the conductive wire (lower electrode) has a Ta / Cu / Ta laminated structure, and the underlying layer is Ru. The antiferromagnetic layer is Ir-Mn (10 nm), and the ferromagnetic layer as the pinned layer is a three-layer structure of CoFe (2 nm) / Ru (1.5 nm) / CoFeB (2 nm) here. The tunnel barrier layer is made of MgO (1 nm), and the SAF-free layer has a three-layer structure of CoFeB (2 nm) / Ru (0.9 nm) / CoFeB (2 nm). The nonmagnetic layer has a two-layer structure of AlOx (0.6 nm) / Ru (3 nm), and a pinned layer comprising three layers of CoFe (3 nm) / Ru (0.9 nm) / CoFe (3 nm) and Ir on the nonmagnetic layer. An antiferromagnetic layer made of -Mn (10 nm) is disposed. The cap layer is made of Ru.

磁気抵抗効果素子は、このような構造を形成した後、一定強度の磁場を与えた状態で温度約360°のアニールを行い、さらに、微細加工技術により、サイズを、例えば、0.1×0.2 μm2とし、この後、再び、一定強度の磁場を与えた状態で温度約300°のアニールを行うことで完成する。 After forming such a structure, the magnetoresistive effect element is annealed at a temperature of about 360 ° in a state where a magnetic field of constant strength is applied, and further, the size is reduced to, for example, 0.1 × 0.2 μm 2 by a fine processing technique. After that, it is completed by performing annealing at a temperature of about 300 ° again with a magnetic field having a constant strength applied.

ここで、Sample 1及びSample 2に関し、温度約300°のアニール後のSAF−フリー層としてのCoFeB(2nm)/Ru(0.9nm)/CoFeB(2nm)の2つの強磁性層の間の磁気相互作用の強さJEXは、1.24 erg/cm2である。また、Sample 1及びSample 2に関し、ピンド層の2つの強磁性層の磁気相互作用は、強磁性結合である。 Here, with respect to Sample 1 and Sample 2, the magnetic reciprocity between two ferromagnetic layers of CoFeB (2 nm) / Ru (0.9 nm) / CoFeB (2 nm) as a SAF-free layer after annealing at a temperature of about 300 ° The strength of action J EX is 1.24 erg / cm 2 . Regarding Sample 1 and Sample 2, the magnetic interaction between the two ferromagnetic layers of the pinned layer is ferromagnetic coupling.

磁気抵抗効果素子の磁化容易軸と導電線(下部電極)の長軸とのなす角度θについては、0°, 5°, 10°, 20°, 30°, 40°, 45°の7種類を用意したが、Sample 1及びSample 2共に、角度θが40°の場合に、最も小さなスピン注入電流密度で磁化反転が可能となる。   Regarding the angle θ between the easy axis of magnetoresistive effect element and the long axis of the conductive wire (lower electrode), there are seven types: 0 °, 5 °, 10 °, 20 °, 30 °, 40 °, 45 ° As prepared, both Sample 1 and Sample 2 can perform magnetization reversal at the smallest spin injection current density when the angle θ is 40 °.

但し、磁化反転メカニズムとしては、図25及び図26に示す磁化反転メカニズムを採用する。   However, the magnetization reversal mechanism shown in FIGS. 25 and 26 is employed as the magnetization reversal mechanism.

図63及び図64は、角度θが40°の場合におけるスピン注入電流密度と磁気抵抗効果素子の抵抗値との関係を示している。   63 and 64 show the relationship between the spin injection current density and the resistance value of the magnetoresistive element when the angle θ is 40 °.

図63は、図17(a)の構造に対応し、図64は、図18の構造に対応する。それぞれの図においては、スピン注入電流によるアシスト磁場Hhardの強さをパラメータとして3つの場合を示している。   63 corresponds to the structure of FIG. 17A, and FIG. 64 corresponds to the structure of FIG. Each figure shows three cases with the strength of the assist magnetic field Hhard caused by the spin injection current as a parameter.

Hhard=20 Oe 及びHhard=20 Oeの場合には、Hhard=0 Oeの場合に比べて、磁化反転に必要なスピン注入電流密度が大幅に低減されていることが分かる。   In the case of Hhard = 20 Oe and Hhard = 20 Oe, it can be seen that the spin injection current density required for magnetization reversal is significantly reduced as compared with the case of Hhard = 0 Oe.

第1実施例により得られるスピン注入電流密度の低減効果が顕著であることは、図12と比較すれば、明白である。   It is clear that the effect of reducing the spin injection current density obtained by the first embodiment is remarkable as compared with FIG.

図65は、角度θとスピン注入電流密度との関係を示している。   FIG. 65 shows the relationship between the angle θ and the spin injection current density.

磁気抵抗効果素子の磁化容易軸と導電線(下部電極)の長軸とのなす角度θが0°<θ≦45°の範囲内において、角度θが0°の場合よりもスピン注入電流密度が低減されていることが分かる。   When the angle θ between the easy axis of the magnetoresistive effect element and the long axis of the conductive wire (lower electrode) is in the range of 0 ° <θ ≦ 45 °, the spin injection current density is higher than when the angle θ is 0 °. It can be seen that it has been reduced.

(2) 第2実施例
第2実施例では、トップピン型の2つのサンプルに基づき、スピン注入電流の低減に関する効果を検証する。
(2) Second embodiment
In the second embodiment, the effect on the reduction of the spin injection current is verified based on two samples of the top pin type.

一つは、図17(b)のトップピン型磁気抵抗効果素子と図24のメモリセル構造を有するサンプル(Sample 3)で、他の一つは、図19のトップピン型磁気抵抗効果素子と図24のメモリセル構造を有するサンプル(Sample 4)である。   One is the sample (Sample 3) having the top pin type magnetoresistive effect element of FIG. 17B and the memory cell structure of FIG. 24, and the other is the top pin type magnetoresistive effect element of FIG. 25 is a sample (Sample 4) having the memory cell structure of FIG.

図17(b)の場合、導電線(下部電極)は、Ta/Cu/Taの積層構造とし、下地層は、Ruとする。SAF−フリー層は、CoFeB(2nm)/Ru(0.9nm)/CoFeB(2nm)の3層構造とし、トンネルバリア層は、MgO(1nm)とする。ピンド層としての強磁性層は、ここでは、CoFe(2nm)/Ru(1.5nm)/CoFeB(2nm)の3層構造とし、反強磁性層は、Pt-Mn(14nm)とする。キャップ層は、Ruから構成する。   In the case of FIG. 17B, the conductive wire (lower electrode) has a Ta / Cu / Ta laminated structure, and the underlying layer is Ru. The SAF-free layer has a three-layer structure of CoFeB (2 nm) / Ru (0.9 nm) / CoFeB (2 nm), and the tunnel barrier layer is MgO (1 nm). Here, the ferromagnetic layer as the pinned layer has a three-layer structure of CoFe (2 nm) / Ru (1.5 nm) / CoFeB (2 nm), and the antiferromagnetic layer is Pt-Mn (14 nm). The cap layer is made of Ru.

図19の場合、導電線(下部電極)は、Ta/Cu/Taの積層構造とし、下地層は、Ruとする。反強磁性層は、Pt-Mn(14nm)とし、ピンド層としての強磁性層は、ここでは、CoFe(4nm)/Ru(0.9nm)/CoFe(3nm)の3層構造とする。非磁性層は、Cu(2nm)/AlOx(0.6nm)の2層構造とし、SAF−フリー層は、CoFeB(2nm)/ Ru(0.9nm)/CoFeB(2nm)の3層構造とする。トンネルバリア層は、MgO(1nm)とし、トンネルバリア層上にCoFe(2nm)/Ru(0.9nm)/CoFe(3nm)の3層からなるピンド層及びPt-Mn(14nm)からなる反強磁性層を配置する。キャップ層は、Ruから構成する。   In the case of FIG. 19, the conductive wire (lower electrode) has a Ta / Cu / Ta laminated structure, and the underlying layer is Ru. The antiferromagnetic layer is Pt-Mn (14 nm), and the ferromagnetic layer as the pinned layer is a three-layer structure of CoFe (4 nm) / Ru (0.9 nm) / CoFe (3 nm) here. The nonmagnetic layer has a two-layer structure of Cu (2 nm) / AlOx (0.6 nm), and the SAF-free layer has a three-layer structure of CoFeB (2 nm) / Ru (0.9 nm) / CoFeB (2 nm). The tunnel barrier layer is MgO (1 nm), and a pinned layer consisting of three layers of CoFe (2 nm) / Ru (0.9 nm) / CoFe (3 nm) and an antiferromagnetic material consisting of Pt-Mn (14 nm) on the tunnel barrier layer. Arrange the layers. The cap layer is made of Ru.

磁気抵抗効果素子は、このような構造を形成した後、一定強度の磁場を与えた状態で温度約360°のアニールを行い、さらに、微細加工技術により、サイズを、例えば、0.1×0.2 μm2とし、この後、再び、一定強度の磁場を与えた状態で温度約300°のアニールを行うことで完成する。 After forming such a structure, the magnetoresistive effect element is annealed at a temperature of about 360 ° in a state where a magnetic field of constant strength is applied, and further, the size is reduced to, for example, 0.1 × 0.2 μm 2 by a fine processing technique. After that, it is completed by performing annealing at a temperature of about 300 ° again with a magnetic field having a constant strength applied.

ここで、Sample 3及びSample 4に関し、温度約300°のアニール後のSAF−フリー層としてのCoFeB(2nm)/Ru(0.9nm)/CoFeB(2nm)の2つの強磁性層の間の磁気相互作用の強さJEXは、1.24 erg/cm2である。また、Sample 3及びSample 4に関し、ピンド層の2つの強磁性層の磁気相互作用は、強磁性結合である。 Here, with respect to Sample 3 and Sample 4, the magnetic mutual between two ferromagnetic layers of CoFeB (2 nm) / Ru (0.9 nm) / CoFeB (2 nm) as a SAF-free layer after annealing at a temperature of about 300 °. The strength of action J EX is 1.24 erg / cm 2 . Regarding Sample 3 and Sample 4, the magnetic interaction between the two ferromagnetic layers of the pinned layer is ferromagnetic coupling.

磁気抵抗効果素子の磁化容易軸と導電線(下部電極)の長軸とのなす角度θについては、0°, 5°, 10°, 20°, 30°, 40°, 45°の7種類を用意したが、Sample 3及びSample 4共に、角度θが40°の場合に、最も小さなスピン注入電流密度で磁化反転が可能となる。   Regarding the angle θ between the easy axis of magnetoresistive effect element and the long axis of the conductive wire (lower electrode), there are seven types: 0 °, 5 °, 10 °, 20 °, 30 °, 40 °, 45 ° As prepared, in both Sample 3 and Sample 4, when the angle θ is 40 °, magnetization reversal is possible with the smallest spin injection current density.

但し、磁化反転メカニズムとしては、図29及び図30に示す磁化反転メカニズムを採用する。   However, the magnetization reversal mechanism shown in FIGS. 29 and 30 is adopted as the magnetization reversal mechanism.

図66及び図67は、角度θが40°の場合におけるスピン注入電流密度と磁気抵抗効果素子の抵抗値との関係を示している。   66 and 67 show the relationship between the spin injection current density and the resistance value of the magnetoresistive element when the angle θ is 40 °.

図66は、図17(b)の構造に対応し、図67は、図19の構造に対応する。それぞれの図においては、スピン注入電流によるアシスト磁場Hhardの強さをパラメータとして3つの場合を示している。   66 corresponds to the structure of FIG. 17B, and FIG. 67 corresponds to the structure of FIG. Each figure shows three cases with the strength of the assist magnetic field Hhard caused by the spin injection current as a parameter.

Hhard=20 Oe 及びHhard=20 Oeの場合には、Hhard=0 Oeの場合に比べて、磁化反転に必要なスピン注入電流密度が大幅に低減されていることが分かる。   In the case of Hhard = 20 Oe and Hhard = 20 Oe, it can be seen that the spin injection current density required for magnetization reversal is significantly reduced as compared with the case of Hhard = 0 Oe.

第2実施例により得られるスピン注入電流密度の低減効果が顕著であることは、第1実施例と同様に、図12と比較すれば、明白である。   It is clear that the effect of reducing the spin injection current density obtained by the second embodiment is remarkable, as compared with FIG. 12, as in the first embodiment.

図68は、角度θとスピン注入電流密度との関係を示している。   FIG. 68 shows the relationship between the angle θ and the spin injection current density.

磁気抵抗効果素子の磁化容易軸と導電線(下部電極)の長軸とのなす角度θが0°<θ≦45°の範囲内において、角度θが0°の場合よりもスピン注入電流密度が低減されていることが分かる。   When the angle θ between the easy axis of the magnetoresistive effect element and the long axis of the conductive wire (lower electrode) is in the range of 0 ° <θ ≦ 45 °, the spin injection current density is higher than when the angle θ is 0 °. It can be seen that it has been reduced.

尚、第2実施例では、非磁性層のCu(2nm)をAu又はAgに置き換えても、同様の効果を得ることができる。   In the second embodiment, the same effect can be obtained even when Cu (2 nm) in the nonmagnetic layer is replaced with Au or Ag.

非磁性層にCuを用いると、Au又はAgを用いる場合に比べてMR比を向上できるが、絶縁層としてのMgOとAlOxとの抵抗値が異なれば、非磁性層としてCuを用いなくても、本発明の効果を得ることができる。   When Cu is used for the nonmagnetic layer, the MR ratio can be improved compared to the case of using Au or Ag, but if the resistance value of MgO and AlOx as the insulating layer is different, Cu can be used as the nonmagnetic layer. The effects of the present invention can be obtained.

(3) 第3実施例
第3実施例では、図22乃至図24に示す磁気ランダムアクセスメモリ(Sample 5)について、スピン注入電流の低減に関する効果を検証する。
(3) Third embodiment
In the third embodiment, the effect of reducing the spin injection current is verified for the magnetic random access memory (Sample 5) shown in FIGS.

メモリセルアレイとしては、図24に示すように、導電線(下部電極)13として、ヨーク構造を採用する。   As shown in FIG. 24, the memory cell array employs a yoke structure as the conductive line (lower electrode) 13.

導電線13上には、下地層としてのRuを介して磁気抵抗効果素子MTJを配置する。磁気抵抗効果素子MTJは、例えば、図17(a)に示すボトムピン型とする。   A magnetoresistive element MTJ is disposed on the conductive line 13 via Ru as a base layer. The magnetoresistive element MTJ is, for example, a bottom pin type shown in FIG.

反強磁性層は、Pt-Mn(14nm)とし、ピンド層は、CoFe(2nm)/Ru(1.5nm)/CoFeB(2nm)の3層構造とする。トンネルバリア層は、MgO(1nm)とし、SAF−フリー層は、CoFeB(2nm)/Ru(0.9nm)/CoFeB(2nm)の3層構造とする。キャップ層は、Ruから構成する。   The antiferromagnetic layer is made of Pt-Mn (14 nm), and the pinned layer has a three-layer structure of CoFe (2 nm) / Ru (1.5 nm) / CoFeB (2 nm). The tunnel barrier layer is made of MgO (1 nm), and the SAF-free layer has a three-layer structure of CoFeB (2 nm) / Ru (0.9 nm) / CoFeB (2 nm). The cap layer is made of Ru.

磁気抵抗効果素子MTJに関しては、一定強度の磁場を与えた状態で温度約360°のアニールを行い、さらに、微細加工技術により、サイズを、例えば、0.1×0.18 μm2とし、この後、再び、一定強度の磁場を与えた状態で温度約300°のアニールを行う。後半のアニール後のSAF−フリー層の2つの強磁性層の間の磁気相互作用の強さJEXは、1.24 erg/cm2である。また、ピンド層の2つの強磁性層は、強磁性結合する。 Regarding the magnetoresistive effect element MTJ, annealing is performed at a temperature of about 360 ° in a state where a constant magnetic field is applied, and further, the size is set to, for example, 0.1 × 0.18 μm 2 by a fine processing technique, and then again, Annealing is performed at a temperature of about 300 ° with a constant magnetic field applied. The strength of magnetic interaction J EX between the two ferromagnetic layers of the SAF-free layer after the latter annealing is 1.24 erg / cm 2 . Further, the two ferromagnetic layers of the pinned layer are ferromagnetically coupled.

磁気抵抗効果素子の磁化容易軸と導電線(下部電極)の長軸とのなす角度θについては、30°とする。   The angle θ between the easy axis of the magnetoresistive element and the long axis of the conductive wire (lower electrode) is 30 °.

そして、図25及び図26に示す磁化反転メカニズムに基づき、電流密度約4×106 A/cm2の電流パルス(スピン注入電流)を発生させたところ、100μsec幅パルスで8000回以上の書き込み(磁化反転)を行っても、図69に示すように、安定動作が確保され、さらに、トンネルバリア層の破壊も発生しなかった。 Then, based on the magnetization reversal mechanism shown in FIGS. 25 and 26, when a current pulse (spin injection current) having a current density of about 4 × 10 6 A / cm 2 was generated, writing was performed 8000 times or more with a 100 μsec width pulse ( Even when magnetization reversal was performed, stable operation was ensured as shown in FIG. 69, and further, the tunnel barrier layer was not broken.

5. その他
本発明の例によれば、熱揺らぎ耐性を有する低消費電力、低電流書き込み及び高信頼性のスピンメモリを実現できる。
5). Other
According to the example of the present invention, a low-power consumption, low-current writing and high-reliability spin memory having thermal fluctuation resistance can be realized.

本発明の例は、上述の実施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、各構成要素を変形して具体化できる。また、上述の実施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、上述の実施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、異なる実施の形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。   The example of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be embodied by modifying each component 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-described embodiments, or constituent elements of different embodiments may be appropriately combined.

例えば、磁気抵抗効果素子を構成する強磁性体、絶縁体、反強磁性体、及び、非磁性体、また、導電線、並びに、電極に関して、これらを構成する材料、厚さ、形状、サイズなどは、当業者が適宜選択し得るものは、当然に、本発明の範囲に包含される。   For example, materials, thicknesses, shapes, sizes, etc. constituting the ferromagnetic material, insulator, antiferromagnetic material, and non-magnetic material, and the conductive wires and electrodes constituting the magnetoresistive effect element Those that can be appropriately selected by those skilled in the art are naturally included in the scope of the present invention.

磁気抵抗効果素子の構造例を示す断面図。Sectional drawing which shows the structural example of a magnetoresistive effect element. SAF−フリー層の反強磁性結合の強さと熱擾乱耐性との関係を示す図。The figure which shows the relationship between the strength of the antiferromagnetic coupling of a SAF-free layer, and thermal disturbance tolerance. メモリセルの構造例を示す断面図。Sectional drawing which shows the structural example of a memory cell. メモリセルの構造例を示す断面図。Sectional drawing which shows the structural example of a memory cell. アシスト磁場とスピン反転エネルギーバリアとの関係を示す図。The figure which shows the relationship between an assist magnetic field and a spin inversion energy barrier. 単層−フリー層のアストロイド曲線を示す図。The figure which shows the astroid curve of a single layer-free layer. スピン注入電流密度と磁気抵抗効果素子の抵抗値との関係を示す図。The figure which shows the relationship between a spin injection current density and the resistance value of a magnetoresistive effect element. スピン注入電流密度と磁気抵抗効果素子の抵抗値との関係を示す図。The figure which shows the relationship between a spin injection current density and the resistance value of a magnetoresistive effect element. メモリセルの構造例を示す断面図。Sectional drawing which shows the structural example of a memory cell. メモリセルの構造例を示す断面図。Sectional drawing which shows the structural example of a memory cell. SAF−フリー層のアストロイド曲線を示す図。The figure which shows the astroid curve of a SAF-free layer. スピン注入電流密度と磁気抵抗効果素子の抵抗値との関係を示す図。The figure which shows the relationship between a spin injection current density and the resistance value of a magnetoresistive effect element. 第1実施の形態に関わるレイアウトを示す平面図。The top view which shows the layout in connection with 1st Embodiment. 第1実施の形態に関わるレイアウトを示す平面図。The top view which shows the layout in connection with 1st Embodiment. θ=45°のときのアストロイド曲線を示す図。The figure which shows an astroid curve in case of (theta) = 45 degrees. スピン相対角度φとスピントルクの強さとの関係を示す図。The figure which shows the relationship between spin relative angle (phi) and the strength of a spin torque. 第2実施の形態の磁気抵抗効果素子を示す断面図。Sectional drawing which shows the magnetoresistive effect element of 2nd Embodiment. 第2実施の形態の磁気抵抗効果素子を示す断面図。Sectional drawing which shows the magnetoresistive effect element of 2nd Embodiment. 第2実施の形態の磁気抵抗効果素子を示す断面図。Sectional drawing which shows the magnetoresistive effect element of 2nd Embodiment. 第2実施の形態の磁気抵抗効果素子を示す断面図。Sectional drawing which shows the magnetoresistive effect element of 2nd Embodiment. 第2実施の形態の磁気抵抗効果素子を示す断面図。Sectional drawing which shows the magnetoresistive effect element of 2nd Embodiment. 第3実施の形態のメモリセルアレイ構造を示す図。The figure which shows the memory cell array structure of 3rd Embodiment. 第3実施の形態のメモリセルアレイ構造を示す図。The figure which shows the memory cell array structure of 3rd Embodiment. 第4実施の形態のメモリセル構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the memory cell structure of 4th Embodiment. 第4実施の形態の磁化反転メカニズムを示す図。The figure which shows the magnetization reversal mechanism of 4th Embodiment. 第4実施の形態の磁化反転メカニズムを示す図。The figure which shows the magnetization reversal mechanism of 4th Embodiment. 第4実施の形態の磁化反転メカニズムを示す図。The figure which shows the magnetization reversal mechanism of 4th Embodiment. 第4実施の形態の磁化反転メカニズムを示す図。The figure which shows the magnetization reversal mechanism of 4th Embodiment. 第4実施の形態の磁化反転メカニズムを示す図。The figure which shows the magnetization reversal mechanism of 4th Embodiment. 第4実施の形態の磁化反転メカニズムを示す図。The figure which shows the magnetization reversal mechanism of 4th Embodiment. 第4実施の形態の磁化反転メカニズムを示す図。The figure which shows the magnetization reversal mechanism of 4th Embodiment. 第4実施の形態の磁化反転メカニズムを示す図。The figure which shows the magnetization reversal mechanism of 4th Embodiment. 第5実施の形態の磁化反転シーケンスを示す図。The figure which shows the magnetization reversal sequence of 5th Embodiment. 第5実施の形態の磁化反転シーケンスを示す図。The figure which shows the magnetization reversal sequence of 5th Embodiment. 第5実施の形態の磁化反転シーケンスを示す図。The figure which shows the magnetization reversal sequence of 5th Embodiment. 第5実施の形態の磁化反転シーケンスを示す図。The figure which shows the magnetization reversal sequence of 5th Embodiment. 第5実施の形態の磁化反転シーケンスを示す図。The figure which shows the magnetization reversal sequence of 5th Embodiment. 第5実施の形態の磁化反転シーケンスを示す図。The figure which shows the magnetization reversal sequence of 5th Embodiment. 第5実施の形態の磁化反転シーケンスを示す図。The figure which shows the magnetization reversal sequence of 5th Embodiment. 第5実施の形態の磁化反転シーケンスを示す図。The figure which shows the magnetization reversal sequence of 5th Embodiment. 第6実施の形態のメモリセル構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the memory cell structure of 6th Embodiment. 第6実施の形態のメモリセル構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the memory cell structure of 6th Embodiment. 第6実施の形態の磁化反転シーケンスを示す図。The figure which shows the magnetization reversal sequence of 6th Embodiment. 第6実施の形態の磁化反転シーケンスを示す図。The figure which shows the magnetization reversal sequence of 6th Embodiment. 第7実施の形態の磁化反転メカニズムを示す図。The figure which shows the magnetization reversal mechanism of 7th Embodiment. 第7実施の形態の磁化反転メカニズムを示す図。The figure which shows the magnetization reversal mechanism of 7th Embodiment. 第7実施の形態の磁化反転メカニズムを示す図。The figure which shows the magnetization reversal mechanism of 7th Embodiment. 第7実施の形態の磁化反転メカニズムを示す図。The figure which shows the magnetization reversal mechanism of 7th Embodiment. 第7実施の形態の磁化反転シーケンスを示す図。The figure which shows the magnetization reversal sequence of 7th Embodiment. 第7実施の形態の磁化反転シーケンスを示す図。The figure which shows the magnetization reversal sequence of 7th Embodiment. 第8実施の形態のメモリセル構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the memory cell structure of 8th Embodiment. 第8実施の形態のメモリセル構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the memory cell structure of 8th Embodiment. 第8実施の形態の磁化反転メカニズムを示す図。The figure which shows the magnetization reversal mechanism of 8th Embodiment. 第8実施の形態の磁化反転メカニズムを示す図。The figure which shows the magnetization reversal mechanism of 8th Embodiment. 第8実施の形態の磁化反転メカニズムを示す図。The figure which shows the magnetization reversal mechanism of 8th Embodiment. 第8実施の形態の磁化反転メカニズムを示す図。The figure which shows the magnetization reversal mechanism of 8th Embodiment. 第8実施の形態の磁化反転メカニズムを示す図。The figure which shows the magnetization reversal mechanism of 8th Embodiment. 第8実施の形態の磁化反転メカニズムを示す図。The figure which shows the magnetization reversal mechanism of 8th Embodiment. 第8実施の形態の磁化反転メカニズムを示す図。The figure which shows the magnetization reversal mechanism of 8th Embodiment. 第8実施の形態の磁化反転メカニズムを示す図。The figure which shows the magnetization reversal mechanism of 8th Embodiment. 第10実施の形態のメモリセル構造を示す図。The figure which shows the memory cell structure of 10th Embodiment. 第10実施の形態のメモリセル構造を示す図。The figure which shows the memory cell structure of 10th Embodiment. 第1実施例によるスピン注入電流密度の低減効果を示す図。The figure which shows the reduction effect of the spin injection current density by 1st Example. 第1実施例によるスピン注入電流密度の低減効果を示す図。The figure which shows the reduction effect of the spin injection current density by 1st Example. 第1実施例によるスピン注入電流密度の低減効果を示す図。The figure which shows the reduction effect of the spin injection current density by 1st Example. 第2実施例によるスピン注入電流密度の低減効果を示す図。The figure which shows the reduction effect of the spin injection current density by 2nd Example. 第2実施例によるスピン注入電流密度の低減効果を示す図。The figure which shows the reduction effect of the spin injection current density by 2nd Example. 第2実施例によるスピン注入電流密度の低減効果を示す図。The figure which shows the reduction effect of the spin injection current density by 2nd Example. 第3実施例による安定動作に関する効果を示す図。The figure which shows the effect regarding the stable operation | movement by 3rd Example.

符号の説明Explanation of symbols

11: 半導体基板、 12: 素子分離絶縁層、 13,18: 導電線、 13a,18a: 導電体、 13b,18b: 軟磁性体、 14: コンタクトパーツ、 15: ワード線ドライバ・デコーダ、 16,17: ビット線ドライバ/シンカー・デコーダ、 SW: スイッチ素子、 WL: ワード線、 BLu,BLu1,BLu2: 上部ビット線、 BLd: 下部ビット線、 S/A: センスアンプ。   11: Semiconductor substrate, 12: Element isolation insulating layer, 13, 18: Conductive line, 13a, 18a: Conductor, 13b, 18b: Soft magnetic material, 14: Contact parts, 15: Word line driver / decoder, 16, 17 : Bit line driver / sinker decoder, SW: switch element, WL: word line, BLu, BLu1, BLu2: upper bit line, BLd: lower bit line, S / A: sense amplifier.

Claims (31)

第1及び第2導電線と、前記第1導電線の一端と前記第2導電線との間に配置される第1磁気抵抗効果素子と、前記第1導電線の他端に接続されるスイッチ素子と、前記第1及び第2導電線を介して前記第1磁気抵抗効果素子にスピントルクによる磁化反転のためのスピン注入電流を流すドライバ/シンカーとを具備し、前記第1磁気抵抗効果素子は、磁化方向が可変の磁気記録層と、磁化方向が固着される第1磁気固着層とを有し、前記磁気記録層の磁化容易軸と前記第1導電線の長軸とのなす角度θは、0°<θ≦45°であることを特徴とするスピンメモリ。   A first magnetoresistive element disposed between the first and second conductive lines, one end of the first conductive line and the second conductive line, and a switch connected to the other end of the first conductive line; An element, and a driver / sinker for passing a spin injection current for magnetization reversal by spin torque to the first magnetoresistive element through the first and second conductive lines, and the first magnetoresistive element Includes a magnetic recording layer having a variable magnetization direction and a first magnetic fixed layer to which the magnetization direction is fixed, and an angle θ formed by an easy axis of magnetization of the magnetic recording layer and a long axis of the first conductive line. Is a spin memory characterized by 0 ° <θ ≦ 45 °. 前記第1磁気抵抗効果素子は、前記磁気記録層及び前記第1磁気固着層の間のトンネルバリア層を有し、前記磁気記録層は、2つの磁性体と、これらの間の非磁性体とを有し、かつ、これら2つの磁性体が反強磁性結合することを特徴とする請求項1に記載のスピンメモリ。   The first magnetoresistance effect element includes a tunnel barrier layer between the magnetic recording layer and the first magnetic pinned layer, and the magnetic recording layer includes two magnetic bodies and a nonmagnetic body therebetween. The spin memory according to claim 1, wherein the two magnetic bodies are antiferromagnetically coupled. 前記第1磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固着される第2磁気固着層をさらに有し、前記磁気記録層は、前記第1及び第2磁気固着層の間に配置されることを特徴とする請求項2に記載のスピンメモリ。   The first magnetoresistance effect element further includes a second magnetic pinned layer to which a magnetization direction is pinned, and the magnetic recording layer is disposed between the first and second magnetic pinned layers. The spin memory according to claim 2. 前記第1及び第2磁気固着層の少なくとも1つは、2つの磁性体と、これらの間の非磁性体とを有し、かつ、これら2つの磁性体が反強磁性結合することを特徴とする請求項3に記載のスピンメモリ。   At least one of the first and second magnetic pinned layers has two magnetic bodies and a non-magnetic body between them, and the two magnetic bodies are antiferromagnetically coupled. The spin memory according to claim 3. 前記第1及び第2磁気固着層の磁化方向は、それぞれ、反強磁性層により固着されることを特徴とする請求項3又は4に記載のスピンメモリ。   The spin memory according to claim 3 or 4, wherein the magnetization directions of the first and second magnetic pinned layers are pinned by an antiferromagnetic layer, respectively. 前記第1及び第2磁気固着層において、前記磁気記録層側の磁性体の磁化は、互いに反対方向を向き、前記非磁性体は、Ruであることを特徴とする請求項3乃至5のいずれか1項に記載のスピンメモリ。   6. The magnetic recording layer according to claim 3, wherein in the first and second magnetic pinned layers, the magnetization of the magnetic material on the magnetic recording layer side is opposite to each other, and the non-magnetic material is Ru. 2. The spin memory according to item 1. 前記第1及び第2磁気固着層において、前記磁気記録層側の磁性体の磁化は、互いに同じ方向を向き、前記非磁性体は、Cu, Ag, Auのグループから選択される1つであることを特徴とする請求項3乃至5のいずれか1項に記載のスピンメモリ。   In the first and second magnetic pinned layers, the magnetization of the magnetic material on the magnetic recording layer side is in the same direction, and the non-magnetic material is one selected from the group of Cu, Ag, and Au. The spin memory according to claim 3, wherein the spin memory is provided. 前記磁気記録層を構成する前記2つの磁性体の反強磁性結合の強さは、0.52 erg/cm2 以上であることを特徴とする請求項2乃至7のいずれか1項に記載のスピンメモリ。 The spin memory according to any one of claims 2 to 7, wherein the strength of antiferromagnetic coupling between the two magnetic bodies constituting the magnetic recording layer is 0.52 erg / cm 2 or more. . 前記磁気記録層を構成する前記2つの磁性体の厚さは、互いに異なることを特徴とする請求項2乃至8のいずれか1項に記載のスピンメモリ。   The spin memory according to any one of claims 2 to 8, wherein thicknesses of the two magnetic bodies constituting the magnetic recording layer are different from each other. 前記第1磁気固着層が前記磁気記録層よりも前記第1導電線側にあり、前記磁気記録層の磁化容易軸と前記第1磁気固着層の磁化容易軸とが実質的に同じ方向を向き、前記第1磁気固着層の前記磁気記録層側の磁性体の磁化が前記第1導電線の他端側よりも一端側に近い方向を向いている場合、前記磁気記録層及び前記第1磁気固着層の磁化容易軸は、前記第2導電線側から前記第1導電線側を見て、前記長軸と一致している状態から左回転で前記角度θだけ回転していることを特徴とする請求項2乃至9のいずれか1項に記載のスピンメモリ。   The first magnetic pinned layer is closer to the first conductive line than the magnetic recording layer, and the easy axis of magnetization of the magnetic recording layer and the easy axis of magnetization of the first magnetic pinned layer face substantially the same direction. When the magnetization of the magnetic material on the magnetic recording layer side of the first magnetic pinned layer is oriented in a direction closer to one end side than the other end side of the first conductive line, the magnetic recording layer and the first magnetic layer The easy magnetization axis of the pinned layer is rotated from the second conductive line side to the first conductive line side by a left rotation from the state coincident with the long axis by the angle θ. The spin memory according to any one of claims 2 to 9. 前記第1磁気固着層が前記磁気記録層よりも前記第1導電線側にあり、前記磁気記録層の磁化容易軸と前記第1磁気固着層の磁化容易軸とが実質的に同じ方向を向き、前記第1磁気固着層の前記磁気記録層側の磁性体の磁化が前記第1導電線の一端側よりも他端側に近い方向を向いている場合、前記磁気記録層及び前記第1磁気固着層の磁化容易軸は、前記第2導電線側から前記第1導電線側を見て、前記長軸と一致している状態から右回転で前記角度θだけ回転していることを特徴とする請求項2乃至9のいずれか1項に記載のスピンメモリ。   The first magnetic pinned layer is closer to the first conductive line than the magnetic recording layer, and the easy axis of magnetization of the magnetic recording layer and the easy axis of magnetization of the first magnetic pinned layer face substantially the same direction. When the magnetization of the magnetic material on the magnetic recording layer side of the first magnetic pinned layer is oriented in a direction closer to the other end side than the one end side of the first conductive line, the magnetic recording layer and the first magnetic layer The easy axis of the pinned layer rotates from the second conductive line side by the angle θ by rotating clockwise from the second conductive line side when the first conductive line side is coincident with the long axis. The spin memory according to any one of claims 2 to 9. 前記第1磁気抵抗効果素子の磁化状態を平行にするときは、前記スピン注入電流を前記第1導電線の一端から他端に向かって流し、反平行にするときは、前記スピン注入電流を前記第1導電線の他端から一端に向かって流すことを特徴とする請求項10又は11に記載のスピンメモリ。   When the magnetization state of the first magnetoresistive element is made parallel, the spin injection current is made to flow from one end to the other end of the first conductive line, and when made antiparallel, the spin injection current is made to be 12. The spin memory according to claim 10, wherein the first conductive wire flows from the other end toward the one end. 前記磁気記録層が前記第1磁気固着層よりも前記第1導電線側にあり、前記磁気記録層の磁化容易軸と前記第1磁気固着層の磁化容易軸とが実質的に同じ方向を向き、前記第1磁気固着層の前記磁気記録層側の磁性体の磁化が前記第1導電線の他端側よりも一端側に近い方向を向いている場合、前記磁気記録層及び前記第1磁気固着層の磁化容易軸は、前記第2導電線側から前記第1導電線側を見て、前記長軸と一致している状態から右回転で前記角度θだけ回転していることを特徴とする請求項2乃至9のいずれか1項に記載のスピンメモリ。   The magnetic recording layer is closer to the first conductive line than the first magnetic pinned layer, and the magnetization easy axis of the magnetic recording layer and the magnetization easy axis of the first magnetic pinned layer face substantially the same direction. When the magnetization of the magnetic material on the magnetic recording layer side of the first magnetic pinned layer is oriented in a direction closer to one end side than the other end side of the first conductive line, the magnetic recording layer and the first magnetic layer The easy axis of the pinned layer rotates from the second conductive line side by the angle θ by rotating clockwise from the second conductive line side when the first conductive line side is coincident with the long axis. The spin memory according to any one of claims 2 to 9. 前記磁気記録層が前記第1磁気固着層よりも前記第1導電線側にあり、前記磁気記録層の磁化容易軸と前記第1磁気固着層の磁化容易軸とが実質的に同じ方向を向き、前記第1磁気固着層の前記磁気記録層側の磁性体の磁化が前記第1導電線の一端側よりも他端側に近い方向を向いている場合、前記磁気記録層及び前記第1磁気固着層の磁化容易軸は、前記第2導電線側から前記第1導電線側を見て、前記長軸と一致している状態から左回転で前記角度θだけ回転していることを特徴とする請求項2乃至9のいずれか1項に記載のスピンメモリ。   The magnetic recording layer is closer to the first conductive line than the first magnetic pinned layer, and the magnetization easy axis of the magnetic recording layer and the magnetization easy axis of the first magnetic pinned layer face substantially the same direction. When the magnetization of the magnetic material on the magnetic recording layer side of the first magnetic pinned layer is oriented in a direction closer to the other end side than the one end side of the first conductive line, the magnetic recording layer and the first magnetic layer The easy magnetization axis of the pinned layer is rotated from the second conductive line side to the first conductive line side by a left rotation from the state coincident with the long axis by the angle θ. The spin memory according to any one of claims 2 to 9. 前記第1磁気抵抗効果素子の磁化状態を平行にするときは、前記スピン注入電流を前記第1導電線の他端から一端に向かって流し、反平行にするときは、前記スピン注入電流を前記第1導電線の一端から他端に向かって流すことを特徴とする請求項13又は14に記載のスピンメモリ。   When the magnetization state of the first magnetoresistive element is made parallel, the spin injection current is made to flow from the other end of the first conductive line toward one end, and when making the anti-parallel, the spin injection current is made to be The spin memory according to claim 13 or 14, wherein the flow is performed from one end of the first conductive wire toward the other end. 前記第1導電線を流れる前記スピン注入電流の向きと前記第2導電線を流れる前記スピン注入電流の向きとは、互いに異なることを特徴とする請求項1乃至15のいずれか1項に記載のスピンメモリ。   16. The direction of the spin injection current flowing through the first conductive line and the direction of the spin injection current flowing through the second conductive line are different from each other. Spin memory. 前記スイッチ素子は、MISFETであることを特徴とする請求項1乃至16のいずれか1項に記載のスピンメモリ。   The spin memory according to any one of claims 1 to 16, wherein the switch element is a MISFET. 前記第1及び第2導電線の少なくとも1つは、ヨーク構造を有することを特徴とする請求項1乃至17のいずれか1項に記載のスピンメモリ。   The spin memory according to any one of claims 1 to 17, wherein at least one of the first and second conductive lines has a yoke structure. 前記第2導電線は、ビット線として機能し、センスアンプに接続されることを特徴とする請求項1乃至18のいずれか1項に記載のスピンメモリ。   The spin memory according to any one of claims 1 to 18, wherein the second conductive line functions as a bit line and is connected to a sense amplifier. 前記第1及び第2導電線は、同じ方向に延びることを特徴とする請求項1乃至19のいずれか1項に記載のスピンメモリ。   The spin memory according to claim 1, wherein the first and second conductive lines extend in the same direction. 前記第1及び第2導電線は、異なる方向に延びることを特徴とする請求項1乃至19のいずれか1項に記載のスピンメモリ。   The spin memory according to claim 1, wherein the first and second conductive lines extend in different directions. 前記スピン注入電流により発生する磁場により前記スピントルクによる磁化反転がアシストされることを特徴とする請求項1乃至21のいずれか1項に記載のスピンメモリ。   The spin memory according to any one of claims 1 to 21, wherein magnetization reversal by the spin torque is assisted by a magnetic field generated by the spin injection current. 第3導電線と、前記第1導電線の一端と前記第3導電線との間に配置される第2磁気抵抗効果素子とをさらに具備し、前記第1導電線は、前記第2及び第3導電線の間に配置されることを特徴とする請求項1乃至22のいずれか1項に記載のスピンメモリ。   And a second magnetoresistive element disposed between one end of the first conductive line and the third conductive line, wherein the first conductive line includes the second and second conductive lines. The spin memory according to any one of claims 1 to 22, wherein the spin memory is disposed between three conductive lines. 前記第1及び第2磁気抵抗効果素子の構造は、同じタイプであることを特徴とする請求項23に記載のスピンメモリ。   The spin memory of claim 23, wherein the first and second magnetoresistive elements have the same structure. 前記第1及び第2磁気抵抗効果素子には、それぞれ独立にデータが書き込まれることを特徴とする請求項23又は24に記載のスピンメモリ。   25. The spin memory according to claim 23, wherein data is independently written in each of the first and second magnetoresistance effect elements. 前記第1及び第2磁気抵抗効果素子には、相補データが書き込まれることを特徴とする請求項23又は24に記載のスピンメモリ。   25. The spin memory according to claim 23, wherein complementary data is written in the first and second magnetoresistance effect elements. 前記磁性体は、Ni-Fe, Co-Fe, Co-Fe-Niのグループから選択される合金、(Co, Fe, Ni)-(B), (Co, Fe, Ni)-(B)-(P, Al, Mo, Nb, Mn), Co-(Zr, Hf, Nb, Ta, Ti)のグループから選択されるアモルファス材料、及び、Co-Cr-Fe-Al, Co-Cr-Fe-Si, Co-Mn-Si, Co-Mn-Alのグループから選択されるホイスラー材料のうちの少なくとも1つから構成されることを特徴とする請求項1乃至26のいずれか1項に記載のスピンメモリ。   The magnetic material is an alloy selected from the group of Ni-Fe, Co-Fe, and Co-Fe-Ni, (Co, Fe, Ni)-(B), (Co, Fe, Ni)-(B)- (P, Al, Mo, Nb, Mn), Co- (Zr, Hf, Nb, Ta, Ti), an amorphous material selected from the group, and Co-Cr-Fe-Al, Co-Cr-Fe- 27. The spin according to any one of claims 1 to 26, comprising at least one of Heusler materials selected from the group of Si, Co-Mn-Si, and Co-Mn-Al. memory. 第1及び第2導電線と、前記第1導電線の一端と前記第2導電線との間に配置される磁気抵抗効果素子と、前記第1導電線の他端に接続されるスイッチ素子と、前記第1及び第2導電線を介して前記磁気抵抗効果素子にスピントルクによる磁化反転のためのスピン注入電流を流すドライバ/シンカーと、前記スピントルクによる磁化反転をアシストする磁場を発生させるアシスト電流が流れる第3導電線とを具備し、前記磁気抵抗効果素子は、磁化方向が可変の磁気記録層と、磁化方向が固着される磁気固着層とを有し、前記磁気記録層の磁化容易軸と前記第1導電線の長軸とのなす角度θは、0°<θ≦45°であることを特徴とするスピンメモリ。   A first and second conductive lines; a magnetoresistive effect element disposed between one end of the first conductive line and the second conductive line; and a switch element connected to the other end of the first conductive line; A driver / sinker for passing a spin injection current for magnetization reversal by spin torque to the magnetoresistive effect element through the first and second conductive lines, and an assist for generating a magnetic field to assist magnetization reversal by the spin torque The magnetoresistive element includes a magnetic recording layer having a variable magnetization direction and a magnetic pinned layer to which the magnetization direction is fixed, so that the magnetic recording layer can be easily magnetized. The spin memory characterized in that an angle θ formed by the axis and the major axis of the first conductive line satisfies 0 ° <θ ≦ 45 °. 前記アシスト電流は、前記スピン注入電流を流している期間の中間点よりも前に遮断することを特徴とする請求項28に記載のスピンメモリ。   29. The spin memory according to claim 28, wherein the assist current is cut off before an intermediate point of a period during which the spin injection current is flowing. 前記第2及び第3導電線は、同じ方向に延びることを特徴とする請求項28又は29に記載のスピンメモリ。   30. The spin memory according to claim 28, wherein the second and third conductive lines extend in the same direction. 前記第2及び第3導電線は、異なる方向に延びることを特徴とする請求項28又は29に記載のスピンメモリ。   30. The spin memory according to claim 28, wherein the second and third conductive lines extend in different directions.
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