JP2007299931A - Magnetoresistance effect element and magnetic memory - Google Patents

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藤 好 昭 斉
Hideyuki Sugiyama
山 英 行 杉
Tomoaki Iguchi
口 智 明 井
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To keep thermal stability even at miniaturization, and to invert the magnetization of a magnetic recording layer at low-current density. <P>SOLUTION: This magnetoresistance effect element a magnetization firmly fixed layer 8 wherein the direction of magnetization is firmly fixed; a free magnetization layer 12 wherein the direction of magnetization is variable; a tunnel insulation layer 10 formed between the magnetization firmly fixed layer and the free magnetization layer; a first anti-ferromagnetic layer 6 formed at the opposite side of the tunnel insulating layer with respect to the firmly fixed magnetization layer; and a second anti-ferromagnetic layer 14 formed at the opposite side of the tunnel insulating layer with respect to the free magnetization layer and thinner in film thickness than the first anti-ferromagnetic layer while the direction of the magnetization of the free magnetization layer can be converted by pouring an electron whose polarity is changed in spin polarization into the free magnetization layer. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子および磁気メモリに関する。   The present invention relates to a magnetoresistive effect element and a magnetic memory.

磁性体膜を用いた磁気抵抗効果素子は、磁気ヘッド、磁気センサーなどに用いられているとともに、固体磁気メモリ(磁気抵抗効果メモリ:MRAM(Magnetic Random Access Memory))に用いることが提案されている。   A magnetoresistive effect element using a magnetic film is used for a magnetic head, a magnetic sensor, and the like, and has been proposed to be used for a solid magnetic memory (magnetoresistance effect memory: MRAM (Magnetic Random Access Memory)). .

MRAMは、記憶素子として、一方が磁気記録層となり他方が磁化固着層となる2つの強磁性層間にトンネル絶縁層が挿入されたトンネル磁気抵抗効果素子(Tunneling Magneto-Resistance effect:TMR素子)が用いられる。このMRAMは、高速で不揮発なランダムアクセスメモリとして注目されているが、電流磁界を用いる書込み方法では書込み電流の値が大きく大容量化が実現できないという問題がある。   The MRAM uses a tunneling magneto-resistive effect element (TMR element) in which a tunnel insulating layer is inserted between two ferromagnetic layers, one of which is a magnetic recording layer and the other is a magnetization fixed layer. It is done. Although this MRAM is attracting attention as a high-speed and nonvolatile random access memory, there is a problem that the write method using a current magnetic field has a large write current value and cannot achieve a large capacity.

これを解決するために、スピン注入法による書き込み方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。このスピン注入方は、スピン偏極した電流を記憶素子の磁気記録層に注入することによって磁気記録層の磁化の向きを反転することを利用している。
米国特許第6,256,223号明細書
In order to solve this, a writing method using a spin injection method has been proposed (for example, see Patent Document 1). This spin injection method utilizes reversal of the magnetization direction of the magnetic recording layer by injecting a spin-polarized current into the magnetic recording layer of the storage element.
US Pat. No. 6,256,223

しかし、スピン注入法をTMR素子に適用した場合、トンネル絶縁層が絶縁破壊する等の素子破壊の問題があり、素子の信頼性に問題があった。また、最終的な目標としては、スケーラビリティを確保するために、微細化した時に熱揺らぎの影響を受けず、低電流密度で磁化の向きを反転することが可能な構造を実現できなければならない。   However, when the spin injection method is applied to the TMR element, there is a problem of element breakdown such as breakdown of the tunnel insulating layer, and there is a problem in the reliability of the element. In addition, as a final goal, in order to ensure scalability, a structure capable of reversing the direction of magnetization at a low current density without being affected by thermal fluctuation when miniaturized must be realized.

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、微細化しても熱安定性を有し、低電流密度で磁気記録層の磁化が反転することが可能な磁気抵抗効果素子およびこれを用いた磁気メモリを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and has a magnetoresistive effect element that has thermal stability even when miniaturized and can reverse the magnetization of the magnetic recording layer at a low current density. An object of the present invention is to provide a magnetic memory using the.

本発明の第1の態様による磁気抵抗効果素子は、磁化の向きが固着された磁化固着層と、磁化の向きが可変の磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられたトンネル絶縁層と、前記磁化固着層に対して前記トンネル絶縁層と反対側に設けられた第1反強磁性層と、前記磁化自由層に対して前記トンネル絶縁層と反対側に設けられ前記第1反強磁性層よりも膜厚の薄い第2反強磁性層と、を備え、前記磁化自由層にスピン偏極した電子を注入することにより前記磁化自由層の磁化の向きが反転可能であることを特徴とする。   The magnetoresistive effect element according to the first aspect of the present invention includes a magnetization pinned layer in which the magnetization direction is pinned, a magnetization free layer having a variable magnetization direction, and between the magnetization pinned layer and the magnetization free layer. A tunnel insulating layer provided; a first antiferromagnetic layer provided on a side opposite to the tunnel insulating layer with respect to the magnetization fixed layer; and a side opposite to the tunnel insulating layer provided on the magnetization free layer. A second antiferromagnetic layer having a thickness smaller than that of the first antiferromagnetic layer, and the magnetization direction of the magnetization free layer is reversed by injecting spin-polarized electrons into the magnetization free layer. It is possible.

なお、前記磁化固着層は、第1磁性層/非磁性層/第2磁性層からなる積層膜であってもよい。   The magnetization pinned layer may be a laminated film composed of a first magnetic layer / nonmagnetic layer / second magnetic layer.

なお、前記磁化固着層の磁化の向きと、前記磁化自由層の磁化の向きが0度より大きく45度以下の角度をなしていてもよい。   The magnetization direction of the magnetization pinned layer and the magnetization direction of the magnetization free layer may be at an angle greater than 0 degree and 45 degrees or less.

なお、前記第1反強磁性層はNiMn、PtMn、IrMnのいずれかであり、前記第2反強磁性層はFeMn、IrMn、PtMnのいずれかであってもよい。   The first antiferromagnetic layer may be any of NiMn, PtMn, and IrMn, and the second antiferromagnetic layer may be any of FeMn, IrMn, and PtMn.

また、本発明の第2の態様による磁気メモリは、上記のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子を有するメモリセルと、前記磁気抵抗効果素子の一端が電気的に接続される第1配線と、前記磁気抵抗効果素子の他端が電気的に接続される第2配線と、
を備えたことを特徴とする。
A magnetic memory according to the second aspect of the present invention includes a memory cell having the magnetoresistive effect element according to any one of the above, a first wiring to which one end of the magnetoresistive effect element is electrically connected, A second wiring to which the other end of the magnetoresistive element is electrically connected;
It is provided with.

また、本発明の第3の態様による磁気メモリは、上記のいずれかに記載の第1および第2磁気抵抗効果素子を有するメモリセルと、前記第1および第2磁気抵抗効果素子のそれぞれの一端とそれぞれ接続される第1配線と、前記第1磁気抵抗効果素子の他端と電気的に接続される第2配線と、前記第2磁気抵抗効果素子の他端と電気的に接続される第3配線と、を備え、前記第1配線から前記第2配線に向かう方向の前記第1磁気抵抗効果素子の層配置は、前記第1配線から前記第3配線に向かう前記第2磁気抵抗効果素子の層配置と逆となっていることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, there is provided a magnetic memory comprising: a memory cell having the first and second magnetoresistive elements as described above; and one end of each of the first and second magnetoresistive elements. A first wiring connected to each other, a second wiring electrically connected to the other end of the first magnetoresistance effect element, and a second wiring electrically connected to the other end of the second magnetoresistance effect element. The second magnetoresistive element is arranged from the first line to the third line in the direction from the first line to the second line. It is characterized by being reverse to the layer arrangement.

なお、前記メモリセルは、前記第1配線に、ソース/ドレインの一方が接続されるMOSトランジスタを備えていてもよい。   The memory cell may include a MOS transistor having one of a source / drain connected to the first wiring.

本発明によれば、微細化しても熱安定性を有するとともに低電流密度で磁気記録層の磁化を反転することができる。   According to the present invention, it is possible to reverse the magnetization of the magnetic recording layer at a low current density while having thermal stability even when miniaturized.

本発明の実施形態を以下に図面を参照して説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

(第1実施形態)
本発明の第1実施形態による磁気抵抗効果素子の断面を図1に示す。この実施形態の磁気抵抗効果素子1は、ボトムピン型の磁気抵抗効果素子であって、下部電極2上に設けられた下地層4と、下地層4上に設けられた反強磁性層6と、反強磁性層6上に設けられ磁化が固着された強磁性層からなる磁化固着層8と、磁化固着層8上に設けられたトンネル絶縁層10と、トンネル絶縁層10上に設けられ磁化の向きが可変の強磁性層からなる磁化自由層(磁気記録層)12と、磁化自由層12上に設けられた反強磁性層14と、反強磁性層14上に設けられたキャップ層16と、このキャップ層16上に設けられた上部電極(図示せず)と、を備えている。そして、本実施形態においては、磁化自由層12に接する反強磁性層14の膜厚が磁化固着層8に接する反強磁性層6の膜厚よりも薄い構成となっている。
(First embodiment)
FIG. 1 shows a cross section of the magnetoresistive effect element according to the first embodiment of the present invention. The magnetoresistive effect element 1 of this embodiment is a bottom pin type magnetoresistive effect element, and includes a base layer 4 provided on the lower electrode 2, an antiferromagnetic layer 6 provided on the base layer 4, A magnetization pinned layer 8 formed of a ferromagnetic layer provided on the antiferromagnetic layer 6 and pinned in magnetization, a tunnel insulating layer 10 provided on the magnetization pinned layer 8, and a magnetization insulating layer provided on the tunnel insulating layer 10. A magnetization free layer (magnetic recording layer) 12 made of a ferromagnetic layer having a variable orientation, an antiferromagnetic layer 14 provided on the magnetization free layer 12, and a cap layer 16 provided on the antiferromagnetic layer 14. And an upper electrode (not shown) provided on the cap layer 16. In this embodiment, the thickness of the antiferromagnetic layer 14 in contact with the magnetization free layer 12 is smaller than the thickness of the antiferromagnetic layer 6 in contact with the magnetization fixed layer 8.

強磁性層と反強磁性層とからなる積層膜において強磁性層の膜厚を一定とし、反強磁性層の膜厚Tを、0nm、5nm、15nmとした場合の磁化曲線を図2のグラフg、g、gにそれぞれ示す。図2からわかるように、反強磁性層の膜厚Tが厚い場合(T=15nm)は一方向異方性が生じ、薄い時(T=5nm)は一方向異方性が生じないが反強磁性層がない場合(T=0nm)に比べて保磁力が増大することが分かる。保磁力の増大は、微細化しても熱安定性が向上することを意味している。 The magnetization curve when the film thickness of the ferromagnetic layer is constant and the film thickness T of the antiferromagnetic layer is 0 nm, 5 nm, and 15 nm is shown in the graph of FIG. respectively in g 1, g 2, g 3 . As can be seen from FIG. 2, when the film thickness T of the antiferromagnetic layer is thick (T = 15 nm), unidirectional anisotropy occurs, and when it is thin (T = 5 nm), unidirectional anisotropy does not occur. It can be seen that the coercive force is increased as compared to the case without the ferromagnetic layer (T = 0 nm). An increase in coercive force means that the thermal stability is improved even if the coercive force is reduced.

したがって、本実施形態の磁気抵抗効果素子1においては、磁化自由層12に接する反強磁性層14の膜厚が磁化固着層8に接する反強磁性層6の膜厚よりも薄い構成となっているので、磁化固着層8は反強磁性層6によって磁化の向きが一方向異方性が付与され、磁化自由層12は反強磁性層14によって一軸異方性が付与されて熱安定性が向上する。   Therefore, in the magnetoresistive effect element 1 of this embodiment, the film thickness of the antiferromagnetic layer 14 in contact with the magnetization free layer 12 is thinner than the film thickness of the antiferromagnetic layer 6 in contact with the magnetization pinned layer 8. Therefore, the magnetization fixed layer 8 is given unidirectional anisotropy by the antiferromagnetic layer 6, and the magnetization free layer 12 is given uniaxial anisotropy by the antiferromagnetic layer 14 and has a thermal stability. improves.

また、本実施形態のように、反強磁性層6を磁化固着層(ピン層)8に燐接して設け、反強磁性層14を磁化自由層(フリー層)12に隣接して設けることにより、磁化固着層8と磁化自由層12との磁化(スピン)の向きのなす角度(相対角度)を0度または180度と異なるようにすることができる。磁化(スピン)の相対角度を0度または180度と異なるようにすると、図3に示したように、書き込み時のスピン注入反転効率、すなわちMR比が上昇する。図3の横軸はピン層とフリー層のスピンの相対角度を正規化したものを示している。すなわち、横軸の値「0」は180度に対応し、値「1.0」は0度に対応している。図3より明らかなように、膜厚が厚い反強磁性層6で固着された強磁性層(磁化固着層)8の磁気モーメント(磁化)に対して、膜厚が薄い反強磁性層14で固着された強磁性層(磁化自由層)12の磁気モーメント(磁化)の角度θ(度)が、図3の横軸上の値で0.75より大きく1より小さい範囲、すなわち0<θ≦45度の範囲あることが好ましい。なお、この角度θは相対角度であるから、磁化固着層8の磁化の向きを基準として、磁化自由層の磁化の向きが時計方向にあっても、反時計方向にあっても上記範囲にあればかまわない。   Further, as in this embodiment, the antiferromagnetic layer 6 is provided in contact with the pinned magnetization layer (pinned layer) 8 and the antiferromagnetic layer 14 is provided adjacent to the magnetization free layer (free layer) 12. The angle (relative angle) formed by the magnetization (spin) directions of the magnetization pinned layer 8 and the magnetization free layer 12 can be different from 0 degrees or 180 degrees. When the relative angle of magnetization (spin) is different from 0 degrees or 180 degrees, as shown in FIG. 3, the spin injection inversion efficiency at the time of writing, that is, the MR ratio increases. The horizontal axis of FIG. 3 shows a normalized relative angle of the spins of the pinned layer and the free layer. That is, the value “0” on the horizontal axis corresponds to 180 degrees, and the value “1.0” corresponds to 0 degrees. As is clear from FIG. 3, the antiferromagnetic layer 14 having a small film thickness is compared with the magnetic moment (magnetization) of the ferromagnetic layer (magnetization pinned layer) 8 fixed by the antiferromagnetic layer 6 having a large film thickness. The angle θ (degree) of the magnetic moment (magnetization) of the pinned ferromagnetic layer (magnetization free layer) 12 is a value on the horizontal axis in FIG. 3 that is larger than 0.75 and smaller than 1, that is, 0 <θ ≦. A range of 45 degrees is preferred. Since the angle θ is a relative angle, the magnetization direction of the magnetization free layer is in the above range regardless of whether it is clockwise or counterclockwise with reference to the magnetization direction of the magnetization fixed layer 8. Don't worry.

磁気モーメント(スピンモーメント)を傾ける方法としては、反強磁性層6、14の材料を異なるように選択するのが最も好ましい。厚い反強磁性層6としてNiMn、PtMn、またはIrMnのいずれかを用い、薄い反強磁性層14としてFeMn、またはIrMn、PtMnを用いることができる。   As a method of tilting the magnetic moment (spin moment), it is most preferable to select different materials for the antiferromagnetic layers 6 and 14. One of NiMn, PtMn, and IrMn can be used for the thick antiferromagnetic layer 6, and FeMn, IrMn, and PtMn can be used for the thin antiferromagnetic layer 14.

反強磁性層の材料を異ならせるとブロッキング温度を変えることができる。例えば、厚い反強磁性層6にPtMnを、薄い反強磁性層14にFeMnを用いる。すると、PtMnのブロッキング温度が約320℃、FeMnのブロッキング温度が約200℃程度と異なるため、磁場中アニールで温度降下途中に320℃以下でまず磁化固着層8の磁化が固着される。磁化固着層8が十分固着された250℃以下の温度で、磁化自由層12の磁化を傾けたい所望の角度の方向に印加磁界を傾ける。その角度は、磁化固着層8に対して膜厚が薄い反強磁性層14で固着された強磁性層の磁気モーメントの角度が0<θ≦45度傾いていることが好ましい。磁化自由層12に隣接したFeMnからなる反強磁性層14は膜厚を薄くすれば一方向異方性ではなく、耐熱性を有する一軸異方性が付与されることになる。反強磁性層の組み合わせとしては、NiMnとIrMnまたはFeMnの組、PtMnとIrMnまたはFeMnの組、IrMnとFeMnの組、などがあるが、この他にもいくつか例があり、ブロキング温度が異なる反強磁性体の組み合わせならばかまわない。また、同じ反強磁性材料を用いても反強磁性膜の膜厚を変えることでブロッキング温度を変えることができる。   If the material of the antiferromagnetic layer is different, the blocking temperature can be changed. For example, PtMn is used for the thick antiferromagnetic layer 6 and FeMn is used for the thin antiferromagnetic layer 14. Then, since the blocking temperature of PtMn is different from about 320 ° C. and the blocking temperature of FeMn is about 200 ° C., the magnetization of the magnetization pinned layer 8 is first fixed at 320 ° C. or lower during temperature drop by annealing in a magnetic field. The applied magnetic field is tilted in the direction of a desired angle at which the magnetization of the magnetization free layer 12 is desired to be tilted at a temperature of 250 ° C. or less at which the magnetization fixed layer 8 is sufficiently fixed. The angle is preferably such that the angle of the magnetic moment of the ferromagnetic layer pinned by the thin antiferromagnetic layer 14 with respect to the magnetization pinned layer 8 is inclined by 0 <θ ≦ 45 degrees. If the antiferromagnetic layer 14 made of FeMn adjacent to the magnetization free layer 12 is made thin, uniaxial anisotropy having heat resistance is given instead of unidirectional anisotropy. As combinations of antiferromagnetic layers, there are NiMn and IrMn or FeMn, PtMn and IrMn or FeMn, IrMn and FeMn, etc. Any combination of antiferromagnetic materials may be used. Even if the same antiferromagnetic material is used, the blocking temperature can be changed by changing the film thickness of the antiferromagnetic film.

また、後述する第2実施例で説明するように、薄い反強磁性層14にFeMnを用いると、スピン反射の項の増大およびダンピング定数の項が小さくなるため、より小さな電流密度でスピン注入磁化反転が実現できることを本発明者達は見出した。また、Ir−Mnを用いてもスピン反射の項が増大し、低電流密度化により有利に働く。   Further, as will be described in a second embodiment to be described later, when FeMn is used for the thin antiferromagnetic layer 14, the increase of the spin reflection term and the term of the damping constant are reduced, so that the spin injection magnetization with a smaller current density is achieved. The inventors have found that inversion can be achieved. Even if Ir—Mn is used, the term of spin reflection increases, which works advantageously by reducing the current density.

本実施形態の磁気抵抗効果素子において、磁化自由層12の磁化の向きが磁化固着層8の磁化の向きに対して0度より大きく45度以下の角度をなしている状態(以下、磁化の向きが平行(同じ向き)状態とも云う)から、磁化自由層12の磁化の向きが磁化固着層8の磁化の向きに対して相対的に135度以上180度より小さい角度をなしている状態(以下、磁化の向きが反平行(逆の向き)状態)にスピン反転させる場合は、スピン偏極した電子を磁化自由層12側から注入する。すなわち、電流を磁化固着層8側から磁化自由層12へ流す。   In the magnetoresistive effect element according to the present embodiment, the magnetization direction of the magnetization free layer 12 is at an angle greater than 0 degree and less than or equal to 45 degrees with respect to the magnetization direction of the magnetization fixed layer 8 (hereinafter referred to as the magnetization direction). Are parallel (the same direction) state), the state in which the magnetization direction of the magnetization free layer 12 is at an angle of 135 degrees or more and less than 180 degrees relative to the magnetization direction of the magnetization pinned layer 8 (hereinafter referred to as the magnetization direction). When spin reversal is performed in a state where the magnetization direction is antiparallel (reverse direction), spin-polarized electrons are injected from the magnetization free layer 12 side. That is, a current is passed from the magnetization fixed layer 8 side to the magnetization free layer 12.

これに対して、磁化自由層12の磁化の向きが磁化固着層8の磁化の向きに対して反平行状態から平行状態にスピン反転させる場合は、スピン偏極した電子を磁化固着層8側から注入する。すなわち、電流を磁化自由層12側から磁化固着層8へ流す。   On the other hand, when the magnetization direction of the magnetization free layer 12 is spin-reversed from the antiparallel state to the parallel state with respect to the magnetization direction of the magnetization pinned layer 8, spin-polarized electrons are transferred from the magnetization pinned layer 8 side. inject. That is, a current is passed from the magnetization free layer 12 side to the magnetization fixed layer 8.

なお、本実施形態の磁気抵抗効果素子1は、ボトムピン型であったが、図4に示す本実施形態の第1変形例のように、トップピン型の磁気抵抗効果素子1Aであってもよい。このトップピン型の磁気抵抗効果素子1Aは、下部電極2上に下地層4が設けられ、下地層4上に反強磁性層14が設けられ、反強磁性層14上に磁化自由層(磁気記録層)12が設けられ、磁化自由層12上にトンネル絶縁層10が設けられ、トンネル絶縁層10上に磁化固着層8が設けられ、磁化固着層8上に反強磁性層6が設けられ、反強磁性層6上に、キャップ層16が設けられ、このキャップ層16上に上部電極(図示せず)が設けられた構成となっている。   Although the magnetoresistive effect element 1 of the present embodiment is a bottom pin type, it may be a top pin type magnetoresistive effect element 1A as in the first modification of the present embodiment shown in FIG. . In this top pin type magnetoresistive effect element 1A, a base layer 4 is provided on a lower electrode 2, an antiferromagnetic layer 14 is provided on the base layer 4, and a magnetization free layer (magnetic) is provided on the antiferromagnetic layer 14. Recording layer) 12, a tunnel insulating layer 10 is provided on the magnetization free layer 12, a magnetization pinned layer 8 is provided on the tunnel insulation layer 10, and an antiferromagnetic layer 6 is provided on the magnetization pinned layer 8. A cap layer 16 is provided on the antiferromagnetic layer 6, and an upper electrode (not shown) is provided on the cap layer 16.

次に、本実施形態の第2変形例による磁気抵抗効果素子1Bを図5に示す。この第2変形例による磁気抵抗効果素子1Bは、図1に示す本実施形態のアップピン型の磁気抵抗効果素子1において、磁化固着層8が磁性層8a/非磁性層8b/磁性層8cの積層膜、すなわちシンセティックな構造となっている。このように、磁化固着層8をシンセティックな構造とすることにより、磁化の安定性がより増すことになり、より好ましい。   Next, FIG. 5 shows a magnetoresistive element 1B according to a second modification of the present embodiment. The magnetoresistive effect element 1B according to the second modification is the same as the up-pin type magnetoresistive effect element 1 of the present embodiment shown in FIG. It has a laminated film, that is, a synthetic structure. Thus, it is more preferable that the magnetization pinned layer 8 has a synthetic structure because the magnetization stability is further increased.

また、本実施形態の第3変形例による磁気抵抗効果素子1Cを図6に示す。この第3変形例の磁気抵抗効果素子1Cは、図4に示すトップピン型の第2変形例の磁気抵抗効果素子1Aにおいて、磁化固着層8を、シンセティック構造の積層膜、すなわち磁性層8a/非磁性層8b/磁性層8cの積層膜8に置き換えた構成となっている。この第3変形例の磁気抵抗効果素子1Cも第2変形例と同様に、磁化の安定性がより増すことになる。   FIG. 6 shows a magnetoresistive effect element 1C according to the third modification of the present embodiment. The magnetoresistive effect element 1C according to the third modification is similar to the top pin type magnetoresistive effect element 1A shown in FIG. 4 except that the magnetization pinned layer 8 is formed of a laminated film having a synthetic structure, that is, a magnetic layer 8a / The non-magnetic layer 8b / magnetic layer 8c is replaced with the laminated film 8. In the magnetoresistive effect element 1C of the third modification, the stability of magnetization is further increased as in the second modification.

本実施形態の第1乃至第3変形例も本実施形態と同様に、微細化しても熱安定性が向上するとともに、スピンの反転効率を大きくすることが可能となる。   Similarly to the present embodiment, the first to third modifications of the present embodiment can improve thermal stability and increase spin inversion efficiency even when miniaturized.

本実施形態およびその変形例において、磁気抵抗効果素子の磁性層(強磁性層)としては、Ni−Fe、Co−Fe、Co−Fe−Ni合金または、(Co,Fe,Ni)−(B)、(Co,Fe,Ni)−(B)−(P,Al,Mo,Nb,Mn)系またはCo−(Zr,Hf,Nb,Ta,Ti)膜などのアモルファス材料、Co−Cr−Fe−Al系、Co−Cr−Fe−Si系、Co−Mn−Si、Co−Mn−Alなどのホイスラー材料からなる群より選ばれる少なくとも1種の薄膜またはそれら多層膜で構成される。なお、記号( , )は括弧内の元素を少なくとも1つ含むことを意味している。   In this embodiment and its modification, as a magnetic layer (ferromagnetic layer) of a magnetoresistive effect element, Ni-Fe, Co-Fe, Co-Fe-Ni alloy, or (Co, Fe, Ni)-(B ), (Co, Fe, Ni)-(B)-(P, Al, Mo, Nb, Mn) -based or amorphous materials such as Co- (Zr, Hf, Nb, Ta, Ti) films, Co-Cr- It is composed of at least one thin film selected from the group consisting of Heusler materials such as Fe—Al, Co—Cr—Fe—Si, Co—Mn—Si, Co—Mn—Al, or a multilayer film thereof. Note that the symbols (,) mean that at least one element in parentheses is included.

本実施形態およびその変形例において、磁化固着層としては一方向異方性を、磁化自由層(磁気記録層)としては一軸異方性を有する強磁性層であることが望ましい。またその厚さは0.1nm以上100nm以下が好ましい。さらに、この強磁性層の膜厚は、超常磁性にならない程度の厚さが必要であり、0.4nm以上であることがより望ましい。   In the present embodiment and its modifications, it is desirable that the magnetization pinned layer is a unidirectional anisotropy and the magnetization free layer (magnetic recording layer) is a ferromagnetic layer having uniaxial anisotropy. The thickness is preferably 0.1 nm or more and 100 nm or less. Furthermore, the thickness of the ferromagnetic layer needs to be a thickness that does not cause superparamagnetism, and is more preferably 0.4 nm or more.

また、これら強磁性層を構成する磁性体には、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て磁気特性を調節したり、その他、結晶性、機械的特性、化学的特性などの各種物性を調節することができる。   In addition, the magnetic materials constituting these ferromagnetic layers include 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 can be added to adjust the magnetic properties, and other physical properties such as crystallinity, mechanical properties, and chemical properties can be adjusted. it can.

より具体的には、磁性層を一方向に固着する方法として、3層構造の積層膜を用いる。3層構造の積層膜としては、例えば、Co(Co−Fe)/Ru(ルテニウム)/Co(Co−Fe)、Co(Co−Fe)/Ir(イリジウム)/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層/Ru(ルテニウム)/Co−Fe−Bなどのアモルファス材料層、Co−Fe−Bなどのアモルファス材料層/Ir(イリジウム)/Co−Fe−Bなどのアモルファス材料層、Co−Fe−Bなどのアモルファス材料層/Os(オスニウム)/Co−Fe−Bなどのアモルファス材料層、Co−Fe−Bなどのアモルファス材料層/Re(レニウム)/Co−Fe−Bなどのアモルファス材料層、Co−Fe−Bなどのアモルファス材料層/Ru(ルテニウム)/Co−Feなど、Co−Fe−Bなどのアモルファス材料層/Ir(イリジウム)/Co−Fe、Co−Fe−Bなどのアモルファス材料層/Os(オスニウム)/Co−Fe、Co−Fe−Bなどのアモルファス材料層/Re(レニウム)/Co−Feなどである。これら積層膜を磁化固着層として用いる場合は、さらに、これに隣接して反強磁性層を設けることが望ましい。この場合の反強磁性層としても、前述したものと同様に、Fe−Mn、Pt−Mn、Pt−Cr−Mn、Ni−Mn、Ir−Mn、NiO、Feなどを用いることかできる。この構造を用いると、磁化固着層からの漏洩磁界(stray field)を減少(あるいは調節)でき、磁化固着層を構成する2層の強磁性層の膜厚を変えることにより、磁化自由層(磁気記録層)の磁化シフトを調整することができる。 More specifically, a laminated film having a three-layer structure is used as a method for fixing the magnetic layer in one direction. As a laminated film having a three-layer structure, for example, Co (Co-Fe) / Ru (ruthenium) / Co (Co-Fe), Co (Co-Fe) / Ir (iridium) / Co (Co-Fe), Co (Co—Fe) / Os (osnium) / Co (Co—Fe), Co (Co—Fe) / Re (rhenium) / Co (Co—Fe), Co—Fe—B and other amorphous material layers / Ru ( Ruthenium) / Amorphous material layer such as Co—Fe—B, Amorphous material layer such as Co—Fe—B / Amorphous material layer such as Ir (iridium) / Co—Fe—B, Amorphous material such as Co—Fe—B Layer / amorphous material layer such as Os (osnium) / Co—Fe—B, amorphous material layer such as Co—Fe—B / amorphous material such as Re (rhenium) / Co—Fe—B Amorphous material layer such as Co-Fe-B / Ru (ruthenium) / Co-Fe, Amorphous material layer such as Co-Fe-B / Ir (iridium) / Amorphous such as Co-Fe, Co-Fe-B Material layer / As (osnium) / Amorphous material layer such as Co—Fe and Co—Fe—B / Re (rhenium) / Co—Fe. When these laminated films are used as the magnetization pinned layer, it is desirable to further provide an antiferromagnetic layer adjacent thereto. As for the antiferromagnetic layer in this case, is it possible to use Fe—Mn, Pt—Mn, Pt—Cr—Mn, Ni—Mn, Ir—Mn, NiO, Fe 2 O 3 or the like as described above? it can. By using this structure, the stray field from the magnetization pinned layer can be reduced (or adjusted), and the magnetization free layer (magnetic field) can be changed by changing the film thickness of the two ferromagnetic layers constituting the magnetization pinned layer. The magnetization shift of the recording layer) can be adjusted.

また、磁気記録層として、軟磁性層/強磁性層という2層構造、または、強磁性層/軟磁性層/強磁性層という3層構造を用いても良い。磁気記録層として、強磁性層/非磁性層/強磁性層という3層構造、強磁性層/非磁性層/強磁性層/非磁性層/強磁性層という5層構造を用いてもよい。この際、強磁性層の種類、膜厚を変えてもかまわない。   The magnetic recording layer may have a two-layer structure of soft magnetic layer / ferromagnetic layer or a three-layer structure of ferromagnetic layer / soft magnetic layer / ferromagnetic layer. As the magnetic recording layer, a three-layer structure of ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer and a five-layer structure of ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer may be used. At this time, the type and film thickness of the ferromagnetic layer may be changed.

特に、絶縁障壁に近い強磁性層にはMRが大きくなるCo−Fe、Co−Fe−Ni、FeリッチNi−Feを用いトンネル絶縁層と接していない強磁性層にはNiリッチNi−Fe、NiリッチNi−Fe−Coなどを用いるとMRを大きく保ったまま、スイッチング磁界を低減でき、より好ましい。非磁性材料としては、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)、またはそれら合金を用いることができる。   In particular, the ferromagnetic layer close to the insulating barrier uses Co-Fe, Co-Fe-Ni, Fe-rich Ni-Fe, which has a large MR, and the ferromagnetic layer not in contact with the tunnel insulating layer uses Ni-rich Ni-Fe, Using Ni-rich Ni—Fe—Co or the like is more preferable because the switching magnetic field can be reduced while maintaining a large MR. Nonmagnetic materials include 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 alloys thereof.

磁気記録層においても、磁気記録層を構成する磁性体に、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)、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)などの非磁性元素を添加して、磁気特性を調節したり、その他、結晶性、機械的特性、化学的特性などの各種物性を調節することができる。   Also in the magnetic recording layer, Ag (silver), Cu (copper), Au (gold), Al (aluminum), Ru (ruthenium), Os (osnium), Re (rhenium) can be used as the magnetic material constituting the magnetic recording layer. 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) and other nonmagnetic elements are added to adjust the magnetic properties, and other crystallinity and mechanical properties Various physical properties such as chemical characteristics can be adjusted.

さらに書き込み電流を小さくする方法としては、書き込みを行う磁気記録層が少なくとも2層の磁性層と少なくとも1層の非磁性層からなる多層膜からなり、非磁性層を介した上記磁性層間の相互作用が強磁性的であることを特徴とした磁気抵抗効果素子を用いることが好ましい。   As a method for further reducing the write current, the magnetic recording layer to be written is composed of a multilayer film composed of at least two magnetic layers and at least one nonmagnetic layer, and the interaction between the magnetic layers via the nonmagnetic layer. It is preferable to use a magnetoresistive effect element characterized by being ferromagnetic.

また、磁気抵抗効果素子としてTMR素子を用いる場合に、磁化固着層と磁化記録層との間に設けられるトンネル絶縁層(あるいは誘電体層)としては、Al(酸化アルミニウム)、SiO(酸化シリコン)、MgO(酸化マグネシウム)、AlN(窒化アルミニウム)、Bi(酸化ビスマス)、MgF(フッ化マグネシウム)、CaF(フッ化カルシウム)、SrTiO(酸化チタン・ストロンチウム)、AlLaO(酸化ランタン・アルミニウム)、Al−N−O(酸化窒化アルニウム)などの各種の絶縁体(誘電体)を用いることができる。 When a TMR element is used as the magnetoresistive effect element, Al 2 O 3 (aluminum oxide), SiO 2 can be used as a tunnel insulating layer (or dielectric layer) provided between the magnetization fixed layer and the magnetization recording layer. (Silicon oxide), MgO (magnesium oxide), AlN (aluminum nitride), Bi 2 O 3 (bismuth oxide), MgF 2 (magnesium fluoride), CaF 2 (calcium fluoride), SrTiO 2 (titanium oxide / strontium oxide) Various insulators (dielectrics) such as AlLaO 3 (lanthanum oxide / aluminum) and Al—N—O (aluminum oxynitride) can be used.

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。また、この絶縁層(誘電体層)の厚さは、トンネル電流が流れる程度に薄い方が望ましく、実際上は、10nm以下であることが望ましい。   These compounds do not need to have a completely accurate composition in terms of stoichiometry, and may be deficient or excessive or deficient in oxygen, nitrogen, fluorine, or the like. In addition, the thickness of the insulating layer (dielectric layer) is desirably thin enough to allow a tunnel current to flow, and in practice, desirably 10 nm or less.

このような磁気抵抗効果素子は、各種スパッタ法、蒸着法、分子線エピタキシャル法などの通常の薄膜形成手段を用いて、所定の基板上に形成することができる。この場合の基板としては、例えば、Si(シリコン)、SiO(酸化シリコン)、Al(酸化アルミニウム)、スピネル、AlN(窒化アルニウム)など各種の基板を用いることができる。 Such a magnetoresistive effect element can be formed on a predetermined substrate using ordinary thin film forming means such as various sputtering methods, vapor deposition methods, and molecular beam epitaxial methods. As the substrate in this case, for example, various substrates such as Si (silicon), SiO 2 (silicon oxide), Al 2 O 3 (aluminum oxide), spinel, and AlN (aluminum nitride) can be used.

また、基板の上に、下地層や保護層、ハードマスクなどとして、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)などからなる層を設けてもよい。   Moreover, Ta (tantalum), Ti (titanium), Pt (platinum), Pd (palladium), Au (gold), Ti (titanium) / Pt (as a base layer, a protective layer, a hard mask, etc. on the substrate. Platinum), Ta (tantalum) / Pt (platinum), Ti (titanium) / Pd (palladium), Ta (tantalum) / Pd (palladium), Cu (copper), Al (aluminum), Cu (copper), Ru ( A layer made of ruthenium), Ir (iridium), Os (osmium), or the like may be provided.

(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態による磁気メモリを図7に示す。この実施形態の磁気メモリは少なくとも1個のメモリセルを有し、このメモリセルは、ビット線30とワード線40との交差領域に設けられている。上記メモリセルは、図1に示す第1実施形態のボトムピン型の磁気抵抗効果素子1と、書き込み/読み出し兼用の選択トランジスタ60とを備え、1ビットを形成している。選択トランジスタ60はソース領域61と、ゲート62と、ドレイン領域63とを備えている。磁気抵抗効果素子1の一方の端子は引き出し電極20に接続され、他方の端子は金属ハードマスクまたはビア25を介してビット線30に接続される。引き出し電極20は接続部50を介して選択トランジスタ60のソース領域61に接続される。選択トランジスタ60のドレイン領域63にワード線40が接続される。なお、選択トランジスタ60は、絶縁膜からなる素子分離領域70によって分離された、半導体基板の素子領域に形成される。
(Second Embodiment)
Next, FIG. 7 shows a magnetic memory according to the second embodiment of the present invention. The magnetic memory of this embodiment has at least one memory cell, and this memory cell is provided in the intersection region between the bit line 30 and the word line 40. The memory cell includes the bottom pin type magnetoresistive effect element 1 of the first embodiment shown in FIG. 1 and a selection transistor 60 for both writing and reading, and forms one bit. The selection transistor 60 includes a source region 61, a gate 62, and a drain region 63. One terminal of the magnetoresistive element 1 is connected to the extraction electrode 20, and the other terminal is connected to the bit line 30 through a metal hard mask or via 25. The extraction electrode 20 is connected to the source region 61 of the selection transistor 60 through the connection portion 50. The word line 40 is connected to the drain region 63 of the selection transistor 60. The selection transistor 60 is formed in the element region of the semiconductor substrate separated by the element isolation region 70 made of an insulating film.

本実施形態の磁気メモリに係る磁気抵抗効果素子1の構成を図8(a)に示し、磁化固着層8の磁化(スピンモーメント)の向きと、磁気記録層(磁化自由層)12の磁化の向きとの関係を図8(b)に示す。この磁気抵抗効果素子1は、図8(b)に示すように、磁化固着層8の磁化(スピンモーメント)の向きと、磁気記録層(磁化自由層)12の磁化の向きが、0度より大きく45度以下の所定の角度θをなしている。このため、第1実施形態で説明したように、スピンの反転効率を大きくすることが可能となる。また、この磁気抵抗効果素子1の膜面形状は図8(b)に示すように、楕円形状となっている。   The configuration of the magnetoresistive effect element 1 according to the magnetic memory of this embodiment is shown in FIG. 8A. The direction of magnetization (spin moment) of the magnetization fixed layer 8 and the magnetization of the magnetic recording layer (magnetization free layer) 12 are shown. The relationship with the orientation is shown in FIG. In the magnetoresistive effect element 1, as shown in FIG. 8B, the magnetization direction (spin moment) of the magnetization fixed layer 8 and the magnetization direction of the magnetic recording layer (magnetization free layer) 12 are from 0 degrees. A predetermined angle θ of 45 degrees or less is formed. Therefore, as described in the first embodiment, the spin inversion efficiency can be increased. In addition, the film surface shape of the magnetoresistive effect element 1 is elliptical as shown in FIG.

また、本実施形態の磁気メモリは、第1実施形態の磁気抵抗効果素子1を用いているため、第1実施形態と同様に、微細化しても熱安定性を向上させることができる。   In addition, since the magnetic memory of the present embodiment uses the magnetoresistive effect element 1 of the first embodiment, the thermal stability can be improved even if the semiconductor memory is miniaturized, as in the first embodiment.

次に、本実施形態の変形例による磁気メモリを図9に示す。この変形例の磁気メモリは、図7に示す磁気メモリにおいて、ボトムピン型の磁気抵抗効果素子1を図4に示す第1実施形態の第1変形例によるトップピン型の磁気抵抗効果素子1Aに置き換えた構成となっている。本変形例による磁気メモリに係る磁気抵抗効果素子1Aの構成を図10(a)に示し、磁化固着層8の磁化(スピンモーメント)の向きと、磁気記録層(磁化自由層)12の磁化の向きとの関係を図10(b)に示す。この磁気抵抗効果素子1は、図10(b)に示すように、磁化固着層8の磁化(スピンモーメント)の向きと、磁気記録層(磁化自由層)12の磁化の向きが、0度より大きく45度よりも小さい所定の角度θをなしている。このため、第2実施形態と同様に、スピンの反転効率を大きくすることが可能となる。また、第1実施形態の第1変形例による磁気抵抗効果素子1Aを用いているため、第1実施形態の第1変形例と同様に、熱安定性を向上させることができる。   Next, a magnetic memory according to a modification of the present embodiment is shown in FIG. In the magnetic memory of this modification, in the magnetic memory shown in FIG. 7, the bottom pin type magnetoresistive effect element 1 is replaced with the top pin type magnetoresistive effect element 1A according to the first modification example of the first embodiment shown in FIG. It becomes the composition. The configuration of the magnetoresistive effect element 1A according to the magnetic memory according to this modification is shown in FIG. 10A. The direction of the magnetization (spin moment) of the magnetization fixed layer 8 and the magnetization of the magnetic recording layer (magnetization free layer) 12 are shown. The relationship with the direction is shown in FIG. In this magnetoresistive effect element 1, as shown in FIG. 10B, the magnetization direction (spin moment) of the magnetization fixed layer 8 and the magnetization direction of the magnetic recording layer (magnetization free layer) 12 are from 0 degrees. A predetermined angle θ that is larger than 45 degrees is formed. For this reason, as in the second embodiment, the spin inversion efficiency can be increased. Moreover, since the magnetoresistive effect element 1A according to the first modification of the first embodiment is used, the thermal stability can be improved similarly to the first modification of the first embodiment.

なお、本実施形態またはその変形例において、記憶素子として図1に示す第1実施形態の磁気抵抗効果素子1または図4に示す第1変形例の磁気抵抗効果素子1Aを用いたが、図5に示す第2変形例による磁気抵抗効果素子1Bまたは図6に示す第3変形例による磁気抵抗効果素子1Cを用いても同様の効果を得ることができる。   In the present embodiment or its modification, the magnetoresistive effect element 1 of the first embodiment shown in FIG. 1 or the magnetoresistive effect element 1A of the first modification shown in FIG. 4 is used as the memory element. Similar effects can be obtained by using the magnetoresistive effect element 1B according to the second modification shown in FIG. 6 or the magnetoresistive effect element 1C according to the third modification shown in FIG.

(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態による磁気メモリを図11に示す。この実施形態の磁気メモリは、少なくとも1個のメモリセルを有し、このメモリセルは、ビット線30,30とワード線40との交差領域に設けられている。上記メモリセルは、図1に示す第1実施形態のボトムピン型の磁気抵抗効果素子1、1と、書き込み/読み出し兼用の選択トランジスタ60とを備え、1ビットを形成している。選択トランジスタ60はソース領域61と、ゲート62と、ドレイン領域63とを備えている。磁気抵抗効果素子1の一方の端子は引き出し電極20に接続され、他方の端子は金属ハードマスクまたはビア25を介してビット線30に接続される。引き出し電極20は接続部50を介して選択トランジスタ60のソース領域61に接続される。選択トランジスタ60のドレイン領域63にワード線40が接続される。なお、選択トランジスタ60は、絶縁膜からなる素子分離領域70によって分離された、半導体基板の素子領域に形成される。また、磁気抵抗効果素子1は、引き出し電極20の、磁気抵抗効果素子1が設けられた面と反対側の面に設けられ、一方の端子は金属ハードマスクまたはビア25を介して引き出し電極20に接続され、他方の端子はビット線30に接続される。そして、磁気抵抗効果素子1は、構成する層の引き出し電極20からビット線30に向かう層配置(積層順序)が、磁気抵抗効果素子1の引き出し電極20からビット線30に向かう層の層配置(積層順序)と逆となるように構成されている。例えば、磁気抵抗効果素子1が、引き出し電極20側に磁化固着層8が形成され、ビット線30側に磁化自由層(磁気記録層)12が形成されている構成であるならば、磁気抵抗効果素子1は引き出し電極20側に磁化自由層12が形成され、ビット線30側に磁化固着層8が形成されている構成となっている。なお、ビット線30は図示していないが、方向を変えてビット線30と平行となるように配置されている。そして、ビット線30、30は図示しない差動増幅器に接続される。
(Third embodiment)
Next, FIG. 11 shows a magnetic memory according to the third embodiment of the present invention. The magnetic memory of this embodiment has at least one memory cell, and this memory cell is provided in an intersection region between the bit lines 30 1 and 30 2 and the word line 40. The memory cell includes the bottom pin type magnetoresistive effect elements 1 1 and 1 2 of the first embodiment shown in FIG. 1 and a selection transistor 60 for both writing and reading, and forms 1 bit. The selection transistor 60 includes a source region 61, a gate 62, and a drain region 63. One terminal of the magnetoresistive element 1 1 is connected to the extraction electrode 20 and the other terminal is connected to the bit line 30 1 through the metal hard mask or via 25 1. The extraction electrode 20 is connected to the source region 61 of the selection transistor 60 through the connection portion 50. The word line 40 is connected to the drain region 63 of the selection transistor 60. The selection transistor 60 is formed in the element region of the semiconductor substrate separated by the element isolation region 70 made of an insulating film. Also, the magnetoresistive element 1 2, the lead-out electrode 20, the magnetoresistance effect element 1 1 is provided on a surface opposite to the surface provided, one terminal via a metal hard mask or via 25 2 drawers connected to the electrode 20, the other terminal is connected to the bit line 30 2. Then, the magnetoresistance effect element 1 2 is a layer disposed toward the extraction electrode 20 of the layer constituting the bit line 30 2 (stacking order) is directed from the extraction electrode 20 of the magnetoresistive element 1 1 to the bit line 30 1 layer It is comprised so that it may become reverse to layer arrangement | positioning (stacking order) of. For example, the magnetoresistive element 1 1, drawer magnetization pinned layer 8 on the electrode 20 side is formed, the magnetization free layer in the bit line 30 1 side if a configuration in which (a magnetic recording layer) 12 is formed, magnetic resistance effect element 1 2 is the magnetization free layer 12 is formed on the lead-out electrode 20 side, and the magnetization pinned layer 8 to the bit line 30 2 side. The bit line 30 2 is not shown, it is arranged so as to be parallel to the bit lines 30 1 changes direction. The bit lines 30 1 and 30 2 are connected to a differential amplifier (not shown).

このような構成としたことにより、引き出し電極20を挟んだ上下の磁気抵抗効果素子1、1の差動読み出しすることが可能となり、読み出し速度を高速化することができる。 With such a configuration, it becomes possible to perform differential reading of the upper and lower magnetoresistive elements 1 1 and 1 2 with the extraction electrode 20 interposed therebetween, and the reading speed can be increased.

本実施形態の磁気メモリも、第2実施形態の磁気メモリと同様に、スピンの反転効率を大きくすることが可能となるとともに、熱安定性を向上させることができる。   Similarly to the magnetic memory of the second embodiment, the magnetic memory of the present embodiment can increase the spin inversion efficiency and improve the thermal stability.

なお、本実施形態において、記憶素子として図1に示す第1実施形態の磁気抵抗効果素子1を用いたが、図4に示す第1変形例の磁気抵抗効果素子1A、図5に示す第2変形例による磁気抵抗効果素子1B、または図6に示す第3変形例による磁気抵抗効果素子1Cを用いても同様の効果を得ることができる。   In the present embodiment, the magnetoresistive effect element 1 of the first embodiment shown in FIG. 1 is used as the memory element, but the magnetoresistive effect element 1A of the first modification shown in FIG. 4 and the second shown in FIG. The same effect can be obtained by using the magnetoresistive effect element 1B according to the modification or the magnetoresistive effect element 1C according to the third modification shown in FIG.

なお、第2または第3実施形態の磁気メモリにおいては、磁気抵抗効果素子が記憶する情報を読み出すために上記磁気抵抗効果素子に流すセンス電流を制御するセンス電流制御回路、ドライバおよびシンカーがさらに具備されている。   Note that the magnetic memory according to the second or third embodiment further includes a sense current control circuit, a driver, and a sinker that control a sense current that flows through the magnetoresistive element in order to read information stored in the magnetoresistive element. Has been.

次に、本発明の実施形態を、実施例を参照して更に詳細に説明する。   Next, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to examples.

(第1実施例)
まず、本発明の第1実施例として、図5または図6に示す磁気抵抗効果素子1Bまたは1Cを作成した。この磁気抵抗効果素子の製造手順は、以下の如くである。
(First embodiment)
First, as a first embodiment of the present invention, a magnetoresistive effect element 1B or 1C shown in FIG. 5 or 6 was prepared. The manufacturing procedure of this magnetoresistive element is as follows.

まず、サンプル1として図5に示すように、基板(図示せず)上に下部電極2/下地層4を形成し、TMR膜として反強磁性層6/磁性層8a/非磁性層8b/磁性層8c/トンネル絶縁層10/磁性層12/反強磁性層14/Ruからなるキャップ層16/ハードマスクからなる積層膜を形成し、パターニングすることにより磁気抵抗効果素子1Bを作製した。   First, as shown in FIG. 5 as Sample 1, a lower electrode 2 / underlayer 4 is formed on a substrate (not shown), and an antiferromagnetic layer 6 / magnetic layer 8a / nonmagnetic layer 8b / magnetic as a TMR film. A laminated film composed of the layer 8c / tunnel insulating layer 10 / magnetic layer 12 / antiferromagnetic layer 14 / Ru cap layer 16 / hard mask was formed and patterned to produce the magnetoresistive effect element 1B.

また、サンプル2として図6に示すように、基板(図示せず)上に下部電極2/下地層4を形成し、TMR膜として反強磁性層14/磁性層12/トンネル絶縁層10/磁性層8c/非磁性層8b/磁性層8a/反強磁性層6/Ruからなるキャップ層16/ハードマスクからなる積層膜を形成し、パターニングすることにより磁気抵抗効果素子1Cを作製した。   Further, as shown in FIG. 6 as Sample 2, a lower electrode 2 / underlayer 4 is formed on a substrate (not shown), and an antiferromagnetic layer 14 / magnetic layer 12 / tunnel insulating layer 10 / magnetic as a TMR film. A laminated film composed of a cap layer 16 composed of layer 8c / nonmagnetic layer 8b / magnetic layer 8a / antiferromagnetic layer 6 / Ru / hard mask was formed and patterned to produce a magnetoresistive effect element 1C.

本実施例では、サンプル1およびサンプル2として下部配線はTa/Cu/Taが用いられ、下地層はRuが用いられる。サンプル1のTMR膜として、下側から順に、PtMn(15nm)/CoFe(3nm)/Ru(0.9nm)/CoFeB(4nm)/MgO(1.0nm)/CoFeB(3nm)/FeMn(5nm)が用いられ、サンプル2のTMR膜として、FeMn(6nm)/CoFeB(3nm)/MgO(1.0nm)/CoFeB(4nm)/Ru(0.9nm)/CoFeB(3nm)/IrMn(10nm)が用いられている。なお、括弧内の数字は膜厚を示す。その後、サンプル1およびサンプル2のそれぞれに対して、360℃で磁場中アニール後、冷却時に210℃にて、磁化固着層となる磁性層の磁化の向きと磁化自由層の磁化の向きとのなす角度を20度程度傾けた試料と、傾けない試料を作製した。素子サイズは微細加工により0.1×0.2μmの接合サイズを有している。 In this embodiment, Ta / Cu / Ta is used for the lower wiring as Sample 1 and Sample 2, and Ru is used for the underlayer. As a TMR film of sample 1, in order from the bottom, PtMn (15 nm) / CoFe (3 nm) / Ru (0.9 nm) / CoFeB (4 nm) / MgO (1.0 nm) / CoFeB (3 nm) / FeMn (5 nm) As the TMR film of sample 2, FeMn (6 nm) / CoFeB (3 nm) / MgO (1.0 nm) / CoFeB (4 nm) / Ru (0.9 nm) / CoFeB (3 nm) / IrMn (10 nm) It is used. The numbers in parentheses indicate the film thickness. Then, after annealing in a magnetic field at 360 ° C. for each of Sample 1 and Sample 2, the magnetization direction of the magnetic layer that becomes the magnetization pinned layer and the magnetization direction of the magnetization free layer are formed at 210 ° C. during cooling. A sample with an angle of about 20 degrees and a sample with no tilt were prepared. The element size has a junction size of 0.1 × 0.2 μm 2 by microfabrication.

図12に、サンプル1でθ=0度と20度傾けた場合のスピン注入による磁化反転を測定した結果を示し、図13に、サンプル2でθ=0度と20度傾けた場合のスピン注入による磁化反転を測定した結果を示す。図12、図13に示したように、θ=20度傾けた試料は、スピン反転するための電流密度が著しく低減されていることが分かる。このことは、図3に示すグラフから予想されることであり、傾き角θが0度より大きく45度以下であればスピン反転するための電流密度は減少し、書き込み時の電流密度が低減される。このため、トンネル絶縁膜10が破壊することを防止することができる。   FIG. 12 shows the result of measurement of magnetization reversal by spin injection when tilting θ = 0 degrees and 20 degrees in sample 1, and FIG. 13 shows spin injection when tilting θ = 0 degrees and 20 degrees in sample 2. The result of having measured the magnetization reversal by is shown. As shown in FIGS. 12 and 13, it can be seen that the current density for spin inversion is remarkably reduced in the sample tilted by θ = 20 degrees. This is expected from the graph shown in FIG. 3, and if the tilt angle θ is greater than 0 degree and less than 45 degrees, the current density for spin inversion decreases and the current density during writing is reduced. The For this reason, it is possible to prevent the tunnel insulating film 10 from being broken.

(第2実施例)
本発明の第2実施例として、図5に示す磁気抵抗効果素子1Bにおいて、反強磁性層6と、反強磁性層14の材料を変えて作製した。磁気抵抗効果素子1Bの作製方法は基本的には第1実施例と同様である。
(Second embodiment)
As a second embodiment of the present invention, the magnetoresistive effect element 1B shown in FIG. 5 was manufactured by changing the materials of the antiferromagnetic layer 6 and the antiferromagnetic layer. The manufacturing method of the magnetoresistive effect element 1B is basically the same as that of the first embodiment.

まず、サンプル3、4として図5に示すように、基板(図示しない)上に、下部電極2/下地層4を形成し、TMR膜として反強磁性層6/磁性層8a/非磁性層8b/磁性層8c/トンネル絶縁層10/磁性層12/反強磁性層14/Ruからなるキャップ層/ハードマスクからなる積層膜を形成し、パターニングすることにより磁気抵抗効果素子1Bを作製した。本実施例では、サンプル3およびサンプル4として下部配線はTa/Cu/Taが用いられ、下地層はRuが用いられる。サンプル3のTMR膜として、下側から順に、PtMn(15nm)/CoFe(3nm)/Ru(0.9nm)/CoFeB(4nm)/MgO(1.0nm)/CoFeB(2.5nm)/FeMn(5nm)が用いられる。また、サンプル4のTMR膜として、PtMn(15nm)/CoFe(3nm)/Ru(0.9nm)/CoFeB(4nm)/MgO(1.0nm)/CoFeB(2.5nm)/IrMn(5nm)が用いられる。その後、360℃で磁場中アニール後、サンプル3は冷却時に210℃にて、サンプル4は、275℃にて角度を0度〜45度程度傾けた試料と傾けない試料をそれぞれ作製した。素子サイズは微細加工により0.1×0.2μmの接合サイズを有している構成となっている。 First, as shown in FIG. 5 as Samples 3 and 4, a lower electrode 2 / underlayer 4 is formed on a substrate (not shown), and an antiferromagnetic layer 6 / magnetic layer 8a / nonmagnetic layer 8b are formed as TMR films. A magnetoresistive effect element 1B was produced by forming a layered film comprising a cap layer / hard mask composed of / magnetic layer 8c / tunnel insulating layer 10 / magnetic layer 12 / antiferromagnetic layer 14 / Ru and patterning. In this embodiment, Ta / Cu / Ta is used for the lower wiring as Sample 3 and Sample 4, and Ru is used for the underlayer. As the TMR film of Sample 3, in order from the bottom, PtMn (15 nm) / CoFe (3 nm) / Ru (0.9 nm) / CoFeB (4 nm) / MgO (1.0 nm) / CoFeB (2.5 nm) / FeMn ( 5 nm) is used. As the TMR film of sample 4, PtMn (15 nm) / CoFe (3 nm) / Ru (0.9 nm) / CoFeB (4 nm) / MgO (1.0 nm) / CoFeB (2.5 nm) / IrMn (5 nm) Used. Thereafter, after annealing in a magnetic field at 360 ° C., Sample 3 was produced at 210 ° C. when cooled, and Sample 4 was produced at 275 ° C. with a sample tilted at an angle of about 0 to 45 degrees and a sample without tilt. The element size is configured to have a junction size of 0.1 × 0.2 μm 2 by fine processing.

図14に、サンプル3およびサンプル4でθを変化させた場合のスピン注入による磁化反転を測定した結果を示した。図14の横軸は磁化固着層8の磁化の向きと磁化自由層12の磁化の向きのなす角度θを示し、縦軸はスピン反転するための電流密度を示す。図14からわかるように、θを傾けた試料は、サンプル3およびサンプル4ともスピン反転するための電流密度が著しく低減されていることが分かる。また、FeMnを磁化自由層12に隣接する反強磁性層14として用いたサンプル3の場合の方が、反強磁性層14としてIrMnを用いたサンプル4に比べてスピン反転するための電流密度が低減することが分かった。また、傾き角θ(度)が0より大きくなると、急激にスピン反転するため電流密度は減少し、0<θ≦45の時、書き込み時の電流密度が低減されていることが分かった。このため、トンネル絶縁膜10が破壊することを防止することができる。   FIG. 14 shows the result of measurement of magnetization reversal by spin injection when θ is changed in Sample 3 and Sample 4. The horizontal axis of FIG. 14 indicates the angle θ between the magnetization direction of the magnetization pinned layer 8 and the magnetization direction of the magnetization free layer 12, and the vertical axis indicates the current density for spin inversion. As can be seen from FIG. 14, it can be seen that the current density for spin inversion of both the sample 3 and the sample 4 is remarkably reduced in the sample having the inclined θ. Further, in the case of sample 3 using FeMn as the antiferromagnetic layer 14 adjacent to the magnetization free layer 12, the current density for spin reversal is higher than in the sample 4 using IrMn as the antiferromagnetic layer 14. It was found to reduce. Further, it was found that when the tilt angle θ (degree) is larger than 0, the current density is decreased due to the rapid spin inversion, and when 0 <θ ≦ 45, the current density at the time of writing is reduced. For this reason, it is possible to prevent the tunnel insulating film 10 from being broken.

また、第2実施例においては、反強磁性層6としてサンプル3およびサンプル4では膜厚15nmのPtMnを用い、反強磁性層14としてサンプル3では膜厚5nmのFeMnを、サンプル4では膜厚5nmのIrMnを用いたが、サンプル3または4において、反強磁性層6として膜厚10nmのIrMnを用い、反強磁性層14として膜厚5nmのIrMnを用いてもよい。   In the second embodiment, the antiferromagnetic layer 6 uses 15 nm thick PtMn in the samples 3 and 4, the sample 3 uses 5 nm thick FeMn as the antiferromagnetic layer 14, and the sample 4 uses film thickness. Although 5 nm of IrMn is used, in sample 3 or 4, IrMn having a thickness of 10 nm may be used as the antiferromagnetic layer 6 and IrMn having a thickness of 5 nm may be used as the antiferromagnetic layer 14.

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、磁気抵抗効果素子を構成する強磁性体層、絶縁層、反強磁性体層、非磁性金属層、電極などの具体的な材料や、膜厚、形状、寸法などに関しては、当業者が適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができるものも本発明の範囲に包含される。   The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to these specific examples. For example, a person skilled in the art is concerned with specific materials such as a ferromagnetic layer, an insulating layer, an antiferromagnetic layer, a nonmagnetic metal layer, and an electrode constituting the magnetoresistive effect element, as well as a film thickness, shape, dimension, and the like. Appropriate selections that similarly implement the present invention and obtain similar effects are also included in the scope of the present invention.

同様に、本発明の磁気メモリを構成する各要素の構造、材質、形状、寸法についても、当業者が適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができるものも本発明の範囲に包含される。   Similarly, the structure, material, shape, and dimensions of each element constituting the magnetic memory of the present invention can be appropriately selected by those skilled in the art to implement the present invention in the same manner and obtain similar effects. It is included in the scope of the present invention.

その他、本発明の実施の形態として上述した磁気メモリを基にして、当業者が適宜設計変更して実施しうるすべての磁気メモリも同様に本発明の範囲に属する。   In addition, all magnetic memories that can be implemented by those skilled in the art based on the above-described magnetic memory as an embodiment of the present invention are also within the scope of the present invention.

以上詳述したように、本発明の各実施形態によれば、熱安定性を有し、スピン注入効率が良い、磁気抵抗効果素子および磁気メモリを提供でき、産業上のメリットは多大である。また、低電流密度でスピン反転することが可能となり、トンネル絶縁膜が破壊することを防止することができる。   As described above in detail, according to each embodiment of the present invention, it is possible to provide a magnetoresistive effect element and a magnetic memory having thermal stability and good spin injection efficiency, and the industrial merit is great. In addition, spin inversion can be performed at a low current density, and the tunnel insulating film can be prevented from being broken.

本発明の第1実施形態による磁気抵抗効果素子を示す断面図。Sectional drawing which shows the magnetoresistive effect element by 1st Embodiment of this invention. 磁化自由層と反強磁性層からなる積層膜の磁化曲線の反強磁性膜の膜厚依存性を示す図。The figure which shows the film thickness dependence of the antiferromagnetic film of the magnetization curve of the laminated film which consists of a magnetization free layer and an antiferromagnetic layer. スピントルクの強さの、磁化自由層と磁化固着層の相対角度依存性を示す図。The figure which shows the relative angle dependence of the strength of a spin torque of a magnetization free layer and a magnetization pinned layer. 第1実施形態の第1変形例による磁気抵抗効果素子を示す断面図。Sectional drawing which shows the magnetoresistive effect element by the 1st modification of 1st Embodiment. 第1実施形態の第2変形例による磁気抵抗効果素子を示す断面図。Sectional drawing which shows the magnetoresistive effect element by the 2nd modification of 1st Embodiment. 第1実施形態の第3変形例による磁気抵抗効果素子を示す断面図。Sectional drawing which shows the magnetoresistive effect element by the 3rd modification of 1st Embodiment. 本発明の第2実施形態による磁気メモリを示す断面図。Sectional drawing which shows the magnetic memory by 2nd Embodiment of this invention. 第2実施形態の磁気メモリに用いられる磁気抵抗効果素子を示す図。The figure which shows the magnetoresistive effect element used for the magnetic memory of 2nd Embodiment. 本発明の第2実施形態の変形例による磁気メモリを示す断面図。Sectional drawing which shows the magnetic memory by the modification of 2nd Embodiment of this invention. 第2実施形態の変形例の磁気メモリに用いられる磁気抵抗効果素子を示す図。The figure which shows the magnetoresistive effect element used for the magnetic memory of the modification of 2nd Embodiment. 本発明の第3実施形態による磁気メモリを示す断面図。Sectional drawing which shows the magnetic memory by 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第1実施例による磁気抵抗効果素子のサンプル1の電流密度と抵抗との関係を示す図。The figure which shows the relationship between the current density and resistance of the sample 1 of the magnetoresistive effect element by 1st Example of this invention. 本発明の第1実施例による磁気抵抗効果素子のサンプル2の電流密度と抵抗との関係を示す図。The figure which shows the relationship between the current density of sample 2 of the magnetoresistive effect element by 1st Example of this invention, and resistance. 本発明の第2実施例による磁気抵抗効果素子のサンプル3,4の傾き角θと、電流密度との関係を示す図。The figure which shows the relationship between inclination-angle (theta) of the samples 3 and 4 of the magnetoresistive effect element by 2nd Example of this invention, and a current density.

符号の説明Explanation of symbols

1 磁気抵抗効果素子
2 下部電極
4 下地層
6 反強磁性層
8 磁化固着層
10 トンネル絶縁層
12 磁化固着層
14 反強磁性層
16 キャップ層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Magnetoresistance effect element 2 Lower electrode 4 Underlayer 6 Antiferromagnetic layer 8 Magnetization pinned layer 10 Tunnel insulating layer 12 Magnetization pinned layer 14 Antiferromagnetic layer 16 Cap layer

Claims (7)

磁化の向きが固着された磁化固着層と、磁化の向きが可変の磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられたトンネル絶縁層と、前記磁化固着層に対して前記トンネル絶縁層と反対側に設けられた第1反強磁性層と、前記磁化自由層に対して前記トンネル絶縁層と反対側に設けられ前記第1反強磁性層よりも膜厚の薄い第2反強磁性層と、を備え、前記磁化自由層にスピン偏極した電子を注入することにより前記磁化自由層の磁化の向きが反転可能であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。   A magnetization pinned layer with a fixed magnetization direction, a magnetization free layer with a variable magnetization direction, a tunnel insulating layer provided between the magnetization pinned layer and the magnetization free layer, and the magnetization pinned layer A first antiferromagnetic layer provided on the opposite side of the tunnel insulating layer, and a thickness smaller than the first antiferromagnetic layer provided on the opposite side of the tunnel insulating layer with respect to the magnetization free layer. And a second antiferromagnetic layer, wherein a magnetization direction of the magnetization free layer can be reversed by injecting spin-polarized electrons into the magnetization free layer. 前記磁化固着層は、第1磁性層/非磁性層/第2磁性層からなる積層膜であることを特徴とする請求項1記載の磁気抵抗効果素子。   2. The magnetoresistive effect element according to claim 1, wherein the magnetization pinned layer is a laminated film composed of a first magnetic layer / a nonmagnetic layer / a second magnetic layer. 前記磁化固着層の磁化の向きと、前記磁化自由層の磁化の向きが0度より大きく45度以下の角度をなしていることを特徴とする請求項1または2記載の磁気抵抗効果素子。   3. The magnetoresistive element according to claim 1, wherein the magnetization direction of the magnetization pinned layer and the magnetization direction of the magnetization free layer are at an angle greater than 0 degree and not greater than 45 degrees. 前記第1反強磁性層はNiMn、PtMn、IrMnのいずれかであり、前記第2反強磁性層はFeMn、IrMn、PtMnのいずれかであることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。   The first antiferromagnetic layer is any one of NiMn, PtMn, and IrMn, and the second antiferromagnetic layer is any one of FeMn, IrMn, and PtMn. 2. A magnetoresistive element described in 1. 請求項1乃至4のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子を有するメモリセルと、
前記磁気抵抗効果素子の一端が電気的に接続される第1配線と、
前記磁気抵抗効果素子の他端が電気的に接続される第2配線と、
を備えたことを特徴とする磁気メモリ。
A memory cell having the magnetoresistive effect element according to claim 1;
A first wiring to which one end of the magnetoresistive element is electrically connected;
A second wiring to which the other end of the magnetoresistive element is electrically connected;
A magnetic memory comprising:
請求項1乃至4のいずれかに記載の第1および第2磁気抵抗効果素子を有するメモリセルと、
前記第1および第2磁気抵抗効果素子のそれぞれの一端とそれぞれ接続される第1配線と、
前記第1磁気抵抗効果素子の他端と電気的に接続される第2配線と、
前記第2磁気抵抗効果素子の他端と電気的に接続される第3配線と、
を備え、前記第1配線から前記第2配線に向かう方向の前記第1磁気抵抗効果素子の層配置は、前記第1配線から前記第3配線に向かう前記第2磁気抵抗効果素子の層配置と逆となっていることを特徴とする磁気メモリ。
A memory cell having the first and second magnetoresistive elements according to any one of claims 1 to 4,
A first wiring connected to one end of each of the first and second magnetoresistance effect elements;
A second wiring electrically connected to the other end of the first magnetoresistive element;
A third wiring electrically connected to the other end of the second magnetoresistive element;
The layer arrangement of the first magnetoresistance effect element in the direction from the first wiring to the second wiring is the layer arrangement of the second magnetoresistance effect element from the first wiring to the third wiring. Magnetic memory characterized by being reversed.
前記メモリセルは、前記第1配線に、ソース/ドレインの一方が接続されるMOSトランジスタを備えていることを特徴とする請求項5または6記載の磁気メモリ。   7. The magnetic memory according to claim 5, wherein the memory cell includes a MOS transistor having one of a source / drain connected to the first wiring.
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