JP2007317734A - Storage device and memory - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a storage device that can improve thermal stability even when a material in lower saturated magnetization is used for a storage layer. <P>SOLUTION: The storage device is configured such that: a storage layer 17 for holding information depending on the magnetization state of a magnetic material is provided; a pinned magnetic layer 31 is provided to this storage layer 17 through an intermediate layer 16 formed of an insulator; information is recorded to the storage layer 17 when direction of magnetization M1 of the storage layer 17 is varied by injecting the electrons spin-polarized in the laminating direction; and texture structures 11A, 17A having the uniaxial anisotropy are formed on the upper surface of the ferromagnetic layer forming the storage layer 17 or at the lower layer of this ferromagnetic layer. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、強磁性層の磁化状態を情報として記憶する記憶層と、磁化の向きが固定された磁化固定層とから成り、膜面に垂直な方向に電流を流して、スピン偏極した電子を注入することにより記憶層の磁化の向きを変化させる記憶素子及びこの記憶素子を備えたメモリに係わり、不揮発メモリに適用して好適なものである。   The present invention comprises a storage layer for storing the magnetization state of a ferromagnetic layer as information and a magnetization fixed layer whose magnetization direction is fixed, and a current is passed in a direction perpendicular to the film surface to spin-polarized electrons. The present invention relates to a memory element that changes the magnetization direction of the memory layer by injecting, and a memory including the memory element, and is suitable for application to a nonvolatile memory.

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

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

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

一般的なMRAMの模式図(斜視図)を、図11に示す。
シリコン基板等の半導体基体110の素子分離層102により分離された部分に、各メモリセルを選択するための選択用トランジスタを構成する、ドレイン領域108、ソース領域107、並びにゲート電極101が、それぞれ形成されている。
また、ゲート電極101の上方には、図中前後方向に延びるワード線105が設けられている。
ドレイン領域108は、図中左右の選択用トランジスタに共通して形成されており、このドレイン領域108には、配線109が接続されている。
そして、ワード線105と、上方に配置された、図中左右方向に延びるビット線106との間に、磁化の向きが反転する記憶層を有する磁気記憶素子103が配置されている。この磁気記憶素子103は、例えば磁気トンネル接合素子(MTJ素子)により構成される。
さらに、磁気記憶素子103は、水平方向のバイパス線111及び上下方向のコンタクト層104を介して、ソース領域107に電気的に接続されている。
ワード線105及びビット線106にそれぞれ電流を流すことにより、電流磁界を磁気記憶素子103に印加して、これにより磁気記憶素子103の記憶層の磁化の向きを反転させて、情報の記録を行うことができる。
A schematic diagram (perspective view) of a general MRAM is shown in FIG.
A drain region 108, a source region 107, and a gate electrode 101 constituting a selection transistor for selecting each memory cell are formed in a portion separated by the element isolation layer 102 of the semiconductor substrate 110 such as a silicon substrate. Has been.
A word line 105 extending in the front-rear direction in the figure is provided above the gate electrode 101.
The drain region 108 is formed in common to the left and right selection transistors in the drawing, and a wiring 109 is connected to the drain region 108.
A magnetic storage element 103 having a storage layer whose magnetization direction is reversed is disposed between the word line 105 and the bit line 106 disposed above and extending in the horizontal direction in the drawing. The magnetic memory element 103 is composed of, for example, a magnetic tunnel junction element (MTJ element).
Further, the magnetic memory element 103 is electrically connected to the source region 107 via the horizontal bypass line 111 and the vertical contact layer 104.
By applying current to each of the word line 105 and the bit line 106, a current magnetic field is applied to the magnetic memory element 103, thereby reversing the magnetization direction of the memory layer of the magnetic memory element 103 and recording information. be able to.

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

そこで、より少ない電流で磁化反転が可能な構成として、スピン注入による磁化反転を利用する構成のメモリが注目されている(例えば、特許文献1、特許文献2、非特許文献2、非特許文献3参照)。
スピン注入による磁化反転とは、磁性体の中を通過してスピン偏極した電子を、他の磁性体に注入することにより、他の磁性体において磁化反転を起こさせるものである。
Accordingly, attention has been paid to a memory having a configuration using magnetization reversal by spin injection as a configuration capable of performing magnetization reversal with a smaller current (for example, Patent Document 1, Patent Document 2, Non-Patent Document 2, and Non-Patent Document 3). reference).
Magnetization reversal by spin injection is to cause magnetization reversal in another magnetic material by injecting spin-polarized electrons that have passed through the magnetic material into another magnetic material.

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

そして、スピン注入による磁化反転は、素子が微細化されても、電流を増やさずに磁化反転を実現することができる利点を有している。   Magnetization reversal by spin injection has an advantage that magnetization reversal can be realized without increasing current even if the element is miniaturized.

上述したスピン注入による磁化反転を利用する構成のメモリの模式図を図9及び図10に示す。図9は斜視図、図10は断面図である。
シリコン基板等の半導体基体60の素子分離層52により分離された部分に、各メモリセルを選択するための選択用トランジスタを構成する、ドレイン領域58、ソース領域57、並びにゲート電極51が、それぞれ形成されている。このうち、ゲート電極51は、図9中前後方向に延びるワード線を兼ねている。
ドレイン領域58は、図9中左右の選択用トランジスタに共通して形成されており、このドレイン領域58には、配線59が接続されている。
そして、ソース領域57と、上方に配置された、図9中左右方向に延びるビット線56との間に、スピン注入により磁化の向きが反転する記憶層を有する記憶素子53が配置されている。
この記憶素子53は、例えば磁気トンネル接合素子(MTJ素子)により構成される。図中61及び62は磁性層を示しており、2層の磁性層61,62のうち、一方の磁性層を磁化の向きが固定された磁化固定層として、他方の磁性層を磁化の向きが変化する磁化自由層即ち記憶層とする。
また、記憶素子53は、ビット線56と、ソース領域57とに、それぞれ上下のコンタクト層54を介して接続されている。これにより、記憶素子53に電流を流して、スピン注入により記憶層の磁化の向きを反転させることができる。
9 and 10 are schematic diagrams of a memory having a configuration using the above-described magnetization reversal by spin injection. 9 is a perspective view, and FIG. 10 is a cross-sectional view.
A drain region 58, a source region 57, and a gate electrode 51 constituting a selection transistor for selecting each memory cell are formed in a portion separated by the element isolation layer 52 of the semiconductor substrate 60 such as a silicon substrate. Has been. Among these, the gate electrode 51 also serves as a word line extending in the front-rear direction in FIG.
The drain region 58 is formed in common to the left and right selection transistors in FIG. 9, and a wiring 59 is connected to the drain region 58.
A storage element 53 having a storage layer in which the direction of magnetization is reversed by spin injection is disposed between the source region 57 and the bit line 56 disposed above and extending in the left-right direction in FIG.
The storage element 53 is configured by, for example, a magnetic tunnel junction element (MTJ element). In the figure, reference numerals 61 and 62 denote magnetic layers. Of the two magnetic layers 61 and 62, one magnetic layer is a magnetization fixed layer whose magnetization direction is fixed, and the other magnetic layer is a magnetization direction. A changing magnetization free layer, that is, a storage layer is used.
The storage element 53 is connected to the bit line 56 and the source region 57 via the upper and lower contact layers 54, respectively. As a result, a current can be passed through the memory element 53 to reverse the magnetization direction of the memory layer by spin injection.

このようなスピン注入による磁化反転を利用する構成のメモリの場合、図11に示した一般的なMRAMと比較して、デバイス構造を単純化することができる、という特徴も有している。
また、スピン注入による磁化反転を利用することにより、外部磁界により磁化反転を行う一般的なMRAMと比較して、素子の微細化が進んでも、書き込みの電流が増大しないという利点がある。
In the case of a memory that uses such magnetization reversal by spin injection, the device structure can be simplified as compared with the general MRAM shown in FIG.
Further, by utilizing magnetization reversal by spin injection, there is an advantage that the write current does not increase even when the element is miniaturized as compared with a general MRAM in which magnetization reversal is performed by an external magnetic field.

ところで、MRAMの場合は、記憶素子とは別に書き込み配線(ワード線やビット線)を設けて、書き込み配線に電流を流して発生する電流磁界により、情報の書き込み(記録)を行っている。そのため、書き込み配線に、書き込みに必要となる電流量を充分に流すことができる。   In the case of an MRAM, a write wiring (word line or bit line) is provided separately from a memory element, and information is written (recorded) by a current magnetic field generated by passing a current through the write wiring. Therefore, a sufficient amount of current required for writing can be passed through the write wiring.

一方、スピン注入による磁化反転を利用する構成のメモリにおいては、記憶素子に流す電流によりスピン注入を行って、記憶層の磁化の向きを反転させる必要がある。
そして、このように記憶素子に直接電流を流して情報の書き込み(記録)を行うことから、書き込みを行うメモリセルを選択するために、記憶素子を選択トランジスタと接続してメモリセルを構成する。この場合、記憶素子に流れる電流は、選択トランジスタに流すことが可能な電流(選択トランジスタの飽和電流)の大きさに制限される。
このため、選択トランジスタの飽和電流以下の電流で書き込みを行う必要があり、スピン注入の効率を改善して、記憶素子に流す電流を低減する必要がある。
On the other hand, in a memory configured to use magnetization reversal by spin injection, it is necessary to reverse the magnetization direction of the storage layer by performing spin injection with a current flowing through the storage element.
Since the current is directly supplied to the memory element and information is written (recorded) as described above, the memory cell is configured by connecting the memory element to a selection transistor in order to select a memory cell to be written. In this case, the current flowing through the memory element is limited to the magnitude of the current that can flow through the selection transistor (the saturation current of the selection transistor).
Therefore, it is necessary to perform writing with a current lower than the saturation current of the selection transistor, and it is necessary to improve the efficiency of spin injection and reduce the current flowing through the memory element.

また、読み出し信号を大きくするためには、大きな磁気抵抗変化率を確保する必要があり、そのためには記憶層の両側に接している中間層をトンネル絶縁層(トンネルバリア層)とした記憶素子の構成にすることが効果的である。
このように中間層としてトンネル絶縁層を用いた場合には、トンネル絶縁層が絶縁破壊することを防ぐために、記憶素子に流す電流量に制限が生じる。この観点からも、スピン注入時の電流を抑制する必要がある。
Also, in order to increase the read signal, it is necessary to secure a large rate of change in magnetoresistance. To that end, a memory element having a tunnel insulating layer (tunnel barrier layer) as an intermediate layer in contact with both sides of the memory layer is required. The configuration is effective.
When the tunnel insulating layer is used as the intermediate layer as described above, the amount of current flowing through the memory element is limited in order to prevent the tunnel insulating layer from being broken down. From this viewpoint, it is necessary to suppress the current during spin injection.

この電流値を下げるためには、電流値は記憶層の膜厚に比例し、または飽和磁化の2乗に比例するので、これらを調節すれば良いことがわかる(例えば、非特許文献4参照)。
そして、記憶層の材料の飽和磁化量(Ms)を低減することにより、電流値を下げる方法が提案されている(特許文献3参照)。
In order to reduce the current value, the current value is proportional to the film thickness of the storage layer or proportional to the square of the saturation magnetization, and it is understood that these may be adjusted (see, for example, Non-Patent Document 4). .
And the method of reducing an electric current value by reducing the saturation magnetization amount (Ms) of the material of a memory layer is proposed (refer patent document 3).

日経エレクトロニクス 2001.2.12号(第164頁−171頁)Nikkei Electronics 2001.1.22 (pages 164-171) Phys.Rev.B 54.9353(1996)Phys. Rev. B 54.9353 (1996) J.Magn.Mat. 159.L1(1996)J. et al. Magn. Mat. 159. L1 (1996) F.J.Albert,et Al.,Appl.Phy.Lett.77,3809(2000)F. J. et al. Albert, et al. , Appl. Phy. Lett. 77, 3809 (2000) 特開2003−17782号公報JP 2003-17782 A 米国特許第6256223号明細書US Pat. No. 6,256,223 米国特許公開2005−0184839号明細書US Patent Publication No. 2005-0184839

スピン注入により記憶層の磁化の向きを反転させる構成の記憶素子が、メモリとして存在し得るためには、記憶層の磁化の向きを反転させるために必要な電流量(閾値電流)を、トランジスタの飽和電流以下に減らすと共に、熱等に対しても書き込まれた情報をしっかり保持する安定性を確保する必要がある。   In order for a memory element configured to reverse the magnetization direction of the memory layer by spin injection to exist as a memory, the amount of current (threshold current) required to reverse the magnetization direction of the memory layer is set to It is necessary to reduce the saturation current to less than the saturation current and to ensure the stability to hold the written information against heat and the like.

閾値電流を低減するためには、例えば、上記特許文献3のように、記憶層に飽和磁化Msの低い材料を使用することにより、記憶層の飽和磁化Msを低減することが有効である。
しかしながら、単純に飽和磁化Msの低い材料を記憶層に用いた場合には、熱に対する安定性(熱安定性)を充分に確保することができない。
In order to reduce the threshold current, it is effective to reduce the saturation magnetization Ms of the storage layer by using a material having a low saturation magnetization Ms for the storage layer, for example, as in Patent Document 3 described above.
However, when a material having a low saturation magnetization Ms is simply used for the memory layer, sufficient stability against heat (thermal stability) cannot be ensured.

上述した問題の解決のために、本発明は、飽和磁化の低い材料を記憶層に用いた場合においても、熱安定性を改善することができる記憶素子、並びにこの記憶素子を有するメモリを提供するものである。   In order to solve the above-described problems, the present invention provides a memory element that can improve thermal stability even when a material having low saturation magnetization is used for a memory layer, and a memory including the memory element. Is.

本発明の記憶素子は、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有し、この記憶層に対して、中間層を介して磁化固定層が設けられ、中間層が絶縁体から成り、積層方向にスピン偏極した電子を注入することにより、記憶層の磁化の向きが変化して、記憶層に対して情報の記録が行われ、記憶層を構成する強磁性層の上面に、もしくは強磁性層よりも下層に、一軸異方性を持つテクスチャー構造が形成されているものである。
また、本発明のメモリは、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有する記憶素子と、互いに交差する2種類の配線とを備え、記憶素子は上記本発明の記憶素子の構成であり、2種類の配線の交点付近かつ2種類の配線の間に記憶素子が配置され、これら2種類の配線を通じて記憶素子に積層方向の電流が流れ、スピン偏極した電子が注入されるものである。
The storage element of the present invention has a storage layer that holds information according to the magnetization state of the magnetic material, and a magnetization fixed layer is provided via the intermediate layer for the storage layer, and the intermediate layer is made of an insulator. By injecting spin-polarized electrons in the stacking direction, the magnetization direction of the storage layer is changed, information is recorded on the storage layer, and the top surface of the ferromagnetic layer constituting the storage layer, or A texture structure having uniaxial anisotropy is formed below the ferromagnetic layer.
The memory of the present invention includes a memory element having a memory layer that holds information according to the magnetization state of the magnetic material, and two types of wirings that intersect each other, and the memory element has the configuration of the memory element of the present invention. A storage element is arranged near the intersection of two types of wiring and between the two types of wiring, a current in the stacking direction flows through the two types of wiring, and spin-polarized electrons are injected. .

上述の本発明の記憶素子の構成によれば、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有し、この記憶層に対して中間層を介して磁化固定層が設けられ、中間層が絶縁体から成り、積層方向にスピン偏極した電子を注入することにより、記憶層の磁化の向きが変化して、記憶層に対して情報の記録が行われるので、積層方向に電流を流してスピン偏極した電子を注入することによって情報の記録を行うことができる。
また、記憶層を構成する強磁性層の上面に、もしくはこの強磁性層よりも下層に、一軸異方性を持つテクスチャー構造が形成されていることにより、記憶層の実効的な異方性磁界を増大させることができる。これにより、記憶層の熱安定性を向上することが可能になる。そして、記憶層の飽和磁化を増大させなくても、記憶層の熱安定性を向上することが可能になる。
即ち、記憶層に飽和磁化量の低い材料を使用しても、充分に記憶層の熱安定性を確保することが可能になる。これにより、記憶層に飽和磁化量の低い材料を使用して、記憶層の磁化の向きを反転させるために必要となる、書き込み電流量を低減することも可能になる。
According to the configuration of the above-described storage element of the present invention, the storage layer that holds information by the magnetization state of the magnetic material is provided, and the magnetization fixed layer is provided to the storage layer via the intermediate layer. By injecting electrons that are made of an insulator and spin-polarized in the stacking direction, the magnetization direction of the storage layer changes and information is recorded on the storage layer. Information can be recorded by injecting spin-polarized electrons.
In addition, a texture structure having uniaxial anisotropy is formed on the upper surface of the ferromagnetic layer constituting the memory layer or on the lower layer than the ferromagnetic layer, so that an effective anisotropic magnetic field of the memory layer is formed. Can be increased. Thereby, it is possible to improve the thermal stability of the storage layer. Then, it is possible to improve the thermal stability of the storage layer without increasing the saturation magnetization of the storage layer.
That is, even when a material having a low saturation magnetization is used for the storage layer, it is possible to sufficiently ensure the thermal stability of the storage layer. This makes it possible to reduce the amount of write current required for reversing the magnetization direction of the storage layer by using a material having a low saturation magnetization for the storage layer.

上述の本発明のメモリの構成によれば、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有する記憶素子と、互いに交差する2種類の配線とを備え、記憶素子は上記本発明の記憶素子の構成であり、2種類の配線の交点付近かつ2種類の配線の間に記憶素子が配置され、これら2種類の配線を通じて記憶素子に積層方向の電流が流れ、スピン偏極した電子が注入されるものであることにより、2種類の配線を通じて記憶素子の積層方向に電流を流してスピン注入による情報の記録を行うことができる。
また、充分に記憶層の熱安定性を確保することが可能になると共に、記憶素子の記憶層の磁化の向きを反転させるために必要となる、書き込み電流量を低減することが可能になるため、メモリの消費電力を増大させることなく、メモリセルに記録された情報を安定して保持することが可能になる。
According to the configuration of the memory of the present invention described above, the memory element includes a memory element having a memory layer that holds information according to the magnetization state of the magnetic material, and two types of wiring intersecting each other. The memory element is arranged near the intersection of two types of wiring and between the two types of wiring, and a current in the stacking direction flows through the memory element through these two types of wiring, and spin-polarized electrons are injected. Accordingly, information can be recorded by spin injection by flowing current in the stacking direction of the memory element through two types of wiring.
In addition, it is possible to sufficiently ensure the thermal stability of the storage layer, and to reduce the amount of write current necessary for reversing the magnetization direction of the storage layer of the storage element. Therefore, it is possible to stably hold information recorded in the memory cell without increasing the power consumption of the memory.

上述の本発明によれば、記憶層の磁化の向きを反転させるために必要となる電流量(閾値電流)を低減させるために、飽和磁化Msの低い材料を記憶層に用いた場合でも、情報保持能力である熱安定性を確保することができるため、特性バランスに優れた記憶素子を構成することができる。
これにより、動作エラーをなくして、記憶素子の動作マージンを充分に得ることができる。
According to the present invention described above, even when a material having a low saturation magnetization Ms is used for the storage layer in order to reduce the amount of current (threshold current) required for reversing the direction of magnetization of the storage layer, the information Since the thermal stability that is the holding ability can be ensured, a memory element with excellent characteristic balance can be configured.
Thereby, an operation error can be eliminated and a sufficient operation margin of the memory element can be obtained.

また、メモリとして必要な熱安定性を確保しても、書き込み電流が増えることがないので、大きな電圧をかける必要がなくなることから、中間層である絶縁体が破壊されることもなくなる。
従って、安定して動作する、信頼性の高いメモリを実現することができる。
Further, even if the thermal stability necessary for the memory is ensured, the write current does not increase, so that it is not necessary to apply a large voltage, so that the insulator as the intermediate layer is not destroyed.
Therefore, a highly reliable memory that operates stably can be realized.

さらにまた、書き込み電流を低減しても、メモリとして必要となる熱安定性を充分に確保することが可能となるため、書き込み電流を低減して、記憶素子に書き込みを行う際の消費電力を低減することが可能になる。
従って、メモリ全体の消費電力を低減することも可能になる。
Furthermore, even if the write current is reduced, it is possible to sufficiently secure the thermal stability required for the memory, so the write current is reduced and the power consumption when writing to the memory element is reduced. It becomes possible to do.
Therefore, the power consumption of the entire memory can be reduced.

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

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

スピン注入によって、磁性層の磁化の向きを反転させるときに、必要となる電流の閾値Icは、現象論的に、下記(式1)により表される(例えば、F.J.Albert他著、Appl.Phys.Lett.,77,p.3809,2000年、等を参照)。   When the magnetization direction of the magnetic layer is reversed by spin injection, the required current threshold Ic is phenomenologically expressed by the following (formula 1) (for example, FJAlbert et al., Appl. Phys Lett., 77, p. 3809, 2000, etc.).

Figure 2007317734
なお、(式1)において、Aは定数、αはスピン制動定数、ηはスピン注入効率、Msは飽和磁化量、Vは磁性層(記憶層)の体積である。
Figure 2007317734
In (Expression 1), A is a constant, α is a spin braking constant, η is a spin injection efficiency, Ms is a saturation magnetization, and V is a volume of a magnetic layer (storage layer).

本発明では、(式1)で表されるように、電流の閾値が、磁性層の体積V、磁性層の飽和磁化Ms、スピン注入効率と制動定数を制御することにより、任意に設定することが可能であることを利用する。
そして、磁化状態により情報を保持することができる磁性層(記憶層)と、磁化の向きが固定された磁化固定層とを有する記憶素子を構成する。
メモリとして存在し得るためには、書き込まれた情報を保持することができなければならない。情報を保持する能力の指標として、前述した熱安定性指標Δの値で判断される。磁性層(記憶層)の熱安定性指標Δは、下記(式2)により表される。
In the present invention, as represented by (Equation 1), the threshold value of the current is arbitrarily set by controlling the volume V of the magnetic layer, the saturation magnetization Ms of the magnetic layer, the spin injection efficiency, and the braking constant. Take advantage of what is possible.
Then, a storage element having a magnetic layer (storage layer) capable of holding information depending on the magnetization state and a magnetization fixed layer in which the magnetization direction is fixed is configured.
In order to be able to exist as a memory, it must be able to hold the written information. As an index of the ability to hold information, it is determined by the value of the thermal stability index Δ described above. The thermal stability index Δ of the magnetic layer (memory layer) is expressed by the following (formula 2).

Figure 2007317734
なお、(式2)において、Hkは実効的な異方性磁界、kはボルツマン定数、Tは温度、Msは飽和磁化量、Vは記憶層の体積である。
Figure 2007317734
Note that in Equation (2), Hk is effective anisotropy field, k B is the Boltzmann constant, T is the temperature, Ms is the saturation magnetization, V is the volume of the storage layer.

実効的な異方性磁界Hkには、形状磁気異方性、誘導磁気異方性、結晶磁気異方性等の影響が取り込まれており、単磁区のコヒーレントローテンションモデルを仮定した場合、保磁力と同等である。   The effective anisotropy magnetic field Hk incorporates effects such as shape magnetic anisotropy, induced magnetic anisotropy, and magnetocrystalline anisotropy. When a single domain coherent rotation model is assumed, It is equivalent to magnetic force.

一般に、記憶された情報を85℃で10年間保持するためには、熱安定性指標Δの値として60以上が必要とされる。この熱安定性指標Δと電流の閾値Icとは、トレードオフの関係になることが多く、メモリ特性を維持するには、これらの両立が課題となることが多い。   Generally, in order to retain the stored information at 85 ° C. for 10 years, a value of 60 or more is required as the value of the thermal stability index Δ. The thermal stability index Δ and the current threshold value Ic often have a trade-off relationship, and in order to maintain memory characteristics, it is often a problem to achieve both of them.

記憶層の磁化状態を変化させる電流の閾値は、実際には、例えば記憶層の厚さが2nmであり、平面パターンが100nm×150nmの略楕円形のトンネル磁気抵抗効果素子(TMR素子)において、+側の閾値+Ic=+0.5mAであり、−側の閾値−Ic=−0.3mAであり、その際の電流密度は約3.5×10A/cmである。これらは、上記の(式1)にほぼ一致する。 The threshold value of the current for changing the magnetization state of the storage layer is actually a tunnel magnetoresistive effect element (TMR element) having a substantially elliptical shape in which the thickness of the storage layer is 2 nm and the planar pattern is 100 nm × 150 nm, for example. The threshold value on the + side + Ic = + 0.5 mA, the threshold value on the − side, −Ic = −0.3 mA, and the current density at that time is about 3.5 × 10 6 A / cm 2 . These substantially coincide with the above (Equation 1).

一方、電流磁場により磁化反転を行う通常のMRAMでは、書き込み電流が数mA以上必要となる。
これに対して、スピン注入により磁化反転を行う場合には、上述のように、書き込み電流の閾値が充分に小さくなるため、集積回路の消費電力を低減させるために有効であることがわかる。
また、通常のMRAMで必要とされる、電流磁界発生用の配線(図11の105)が不要となるため、集積度においても通常のMRAMに比較して有利である。
On the other hand, a normal MRAM that performs magnetization reversal by a current magnetic field requires a write current of several mA or more.
On the other hand, when the magnetization reversal is performed by spin injection, the threshold value of the write current becomes sufficiently small as described above, which is effective for reducing the power consumption of the integrated circuit.
In addition, the current magnetic field generating wiring (105 in FIG. 11) required in a normal MRAM is not necessary, and this is advantageous in terms of integration as compared with a normal MRAM.

そして、スピン注入により磁化反転を行う場合には、記憶素子に直接電流を流して情報の書き込み(記録)を行うことから、書き込みを行うメモリセルを選択するために、記憶素子を選択トランジスタと接続してメモリセルを構成する。
この場合、記憶素子に流れる電流は、選択トランジスタに流すことが可能な電流(選択トランジスタの飽和電流)の大きさに制限されるため、書き込み電流の許容範囲も制限されることになる。
When magnetization reversal is performed by spin injection, information is written (recorded) by directly passing a current through the memory element. Therefore, the memory element is connected to a selection transistor in order to select a memory cell to be written. Thus, a memory cell is configured.
In this case, the current flowing through the memory element is limited to the magnitude of the current that can flow through the selection transistor (the saturation current of the selection transistor), and thus the allowable range of the write current is also limited.

これに対して、記憶層の磁化量を減らせば、書き込み電流の閾値を低減して許容範囲を広げることが可能になるが、前述したように、記憶層の熱安定性指標を損なうことになる。メモリを構成するためには、熱安定性指標がある程度以上の大きさである必要がある。
選択トランジスタの飽和電流よりスピン注入による磁化反転の臨界電流Icを小さくするためには、(式1)より、記憶層の飽和磁化量Msを減らせば良いが、単純に減らした場合(例えば、前記特許文献3参照)、記憶層の情報保持の熱安定性が著しく損なわれ、メモリとしての機能を果せなくなる。
On the other hand, if the amount of magnetization of the storage layer is reduced, the threshold value of the write current can be reduced and the allowable range can be expanded. However, as described above, the thermal stability index of the storage layer is impaired. . In order to configure the memory, the thermal stability index needs to be a certain size or more.
In order to make the critical current Ic of magnetization reversal by spin injection smaller than the saturation current of the selection transistor, the saturation magnetization amount Ms of the storage layer may be reduced from (Equation 1). (See Patent Document 3), the thermal stability of information storage in the storage layer is significantly impaired, and the memory function cannot be achieved.

本願の発明者等が種々の検討を行った結果、記憶層を構成する強磁性層よりも下層、もしくは、強磁性層の上面に、一軸異方性を持ったテクスチャー構造を有する層を導入することにより、実効的な異方性磁界Hkを増加させることができ、飽和磁化Msの低い材料を記憶層に用いた場合においても、熱安定性指標Δ(=KV/kT)を向上することができ、安定したメモリを形成できることを見出した。 As a result of various studies by the inventors of the present application, a layer having a texture structure with uniaxial anisotropy is introduced below the ferromagnetic layer constituting the memory layer or on the upper surface of the ferromagnetic layer. As a result, the effective anisotropic magnetic field Hk can be increased, and the thermal stability index Δ (= KV / k B T) is improved even when a material having a low saturation magnetization Ms is used for the storage layer. It has been found that a stable memory can be formed.

記憶層を構成する強磁性層よりも下層にテクスチャー構造を導入する場合には、記憶層を構成する強磁性層よりも下層にある各層のうち、いずれか1層以上の上面にテクスチャー構造を形成する。
例えば下地層等、記憶素子の比較的下方にある層にテクスチャー構造を形成した場合でも、その上の層にもテクスチャー構造による凹凸が反映されていくので、記憶層の下面にも反映されて凹凸が形成されるため、記憶層の異方性磁界を増加させることができる。
When a texture structure is introduced below the ferromagnetic layer constituting the memory layer, a texture structure is formed on the upper surface of any one or more of the layers below the ferromagnetic layer constituting the memory layer. To do.
For example, even when a texture structure is formed in a layer that is relatively below the memory element, such as an underlayer, the irregularities due to the texture structure are also reflected in the upper layer, so the irregularities are also reflected in the lower surface of the memory layer. Therefore, the anisotropic magnetic field of the memory layer can be increased.

なお、記憶層よりも下層にある、いずれの層でもテクスチャー構造を形成することが可能であるが、TMR素子のトンネル絶縁層は、他の層よりも薄く、テクスチャー構造を形成すると膜の状態や特性を損なうおそれがあるため、トンネル絶縁層以外の層にテクスチャー構造を形成することが望ましい。   Note that the texture structure can be formed in any layer below the memory layer, but the tunnel insulating layer of the TMR element is thinner than the other layers. It is desirable to form a texture structure in a layer other than the tunnel insulating layer because the characteristics may be impaired.

テクスチャー構造の形成には、研磨やエッチング等、物理的な形成手法及び化学的な形成手法を用いることができる。   For the formation of the texture structure, physical forming methods and chemical forming methods such as polishing and etching can be used.

テクスチャー構造の面粗度は、平均粗さ(算術平均粗さ)Raで1.1nm以上とすることが望ましい。そして、平均粗さRaを1.1nm以上とすることにより、テクスチャー構造を形成して記憶層の実効的な異方性磁界を高める効果を、充分に発揮させることができる。
平均粗さ(算術平均粗さ)Raは、粗さ曲線から、その平均線の方向に基準長さLを抜き取り、この抜き取った部分の方向をx軸、表面に対する高さ方向をy軸にとり、曲線をy=f(x)で表したときに、下記の(式3)によって求めることができる。

Figure 2007317734
The surface roughness of the texture structure is desirably 1.1 nm or more in terms of average roughness (arithmetic average roughness) Ra. And by making average roughness Ra 1.1 nm or more, the effect which forms a texture structure and raises the effective anisotropic magnetic field of a memory | storage layer can fully be exhibited.
The average roughness (arithmetic mean roughness) Ra is extracted from the roughness curve, the reference length L in the direction of the average line, the direction of the extracted portion is the x axis, and the height direction with respect to the surface is the y axis. When the curve is expressed by y = f (x), it can be obtained by the following (Equation 3).
Figure 2007317734

ここで、記憶素子に形成するテクスチャー構造について、図4A〜図4Dを参照して説明する。
まず、図示しないが、テクスチャー構造を形成する膜又は層を、ウェハ表面に形成する。
次に、形成した膜又は層にテクスチャー構造を形成する。このときのウェハの要部の拡大平面図を、図4Aに示す。図4Aに示すように、ウェハ全体にわたって、テクスチャー構造41を、特定の方向Xに揃えて平行に形成する。
テクスチャー構造41の具体的な断面形状は、特に限定されるものではなく、例えば、図4Bに示す三角形状の断面や、図4Cに示す矩形状の断面とすることができ、その他の形状の断面としてもよい。また、テクスチャー構造41の側面の少なくとも一部が曲面であってもよい。
そして、テクスチャー構造41を形成した膜又は層よりも、上層の各層を形成して、記憶素子を構成する積層膜を作製する。
その後、各メモリセルに対応する記憶素子毎に、所定のパターン(例えば、楕円形等)にパターニングして記憶素子を形成する。このとき、記憶素子のパターンを、テクスチャー構造41の方向と所定の関係にあるように、形成する。ここで、楕円形にパターニングした場合の、テクスチャー構造が形成された膜又は層の分解平面図を図4Dに示す。図4Dに示すように、楕円形にパターニングされた記憶素子42に、楕円の長軸に平行である、一定方向Xに揃って平行なテクスチャー構造41が形成されている。なお、図4Dの方向Xは、ウェハの状態の図4Aの方向Xと、同一方向である。
Here, the texture structure formed in the memory element will be described with reference to FIGS. 4A to 4D.
First, although not shown, a film or a layer forming a texture structure is formed on the wafer surface.
Next, a texture structure is formed on the formed film or layer. An enlarged plan view of the main part of the wafer at this time is shown in FIG. 4A. As shown in FIG. 4A, texture structures 41 are formed in parallel in a specific direction X over the entire wafer.
The specific cross-sectional shape of the texture structure 41 is not particularly limited, and can be, for example, a triangular cross-section shown in FIG. 4B or a rectangular cross-section shown in FIG. 4C. It is good. Further, at least a part of the side surface of the texture structure 41 may be a curved surface.
Then, each layer above the film or layer in which the texture structure 41 is formed is formed, and a laminated film constituting the memory element is manufactured.
After that, for each storage element corresponding to each memory cell, a storage element is formed by patterning in a predetermined pattern (for example, an ellipse). At this time, the pattern of the memory element is formed so as to have a predetermined relationship with the direction of the texture structure 41. Here, FIG. 4D shows an exploded plan view of a film or layer in which a texture structure is formed in the case of patterning into an elliptical shape. As shown in FIG. 4D, a memory structure 42 that is patterned in an elliptical shape is formed with a texture structure 41 that is parallel to the constant direction X and is parallel to the major axis of the ellipse. Note that the direction X in FIG. 4D is the same as the direction X in FIG. 4A in the wafer state.

そして、図4Dに示すように、テクスチャー構造41の方向Xが楕円形の長軸と平行である構成とすることにより、テクスチャー構造41による一軸異方性と、楕円形パターンによる形状異方性とを、一致した方向に形成することができる。これにより、記憶層の異方性磁界を効果的に強めることができる。   And as shown to FIG. 4D, by setting it as the structure where the direction X of the texture structure 41 is parallel to the major axis of an ellipse, the uniaxial anisotropy by the texture structure 41, the shape anisotropy by an ellipse pattern, and Can be formed in a consistent direction. Thereby, the anisotropic magnetic field of a memory layer can be strengthened effectively.

さらに、本発明では、選択トランジスタの飽和電流値を考慮して、記憶層と磁化固定層との間の非磁性の中間層として、絶縁体から成るトンネル絶縁層を用いて磁気トンネル接合(MTJ)素子を構成する。
トンネル絶縁層を用いて磁気トンネル接合(MTJ)素子を構成することにより、非磁性導電層を用いて巨大磁気抵抗効果(GMR)素子を構成した場合と比較して、磁気抵抗変化率(MR比)を大きくすることができ、読み出し信号強度を大きくすることができるためである。
Furthermore, in the present invention, in consideration of the saturation current value of the selection transistor, a magnetic tunnel junction (MTJ) using a tunnel insulating layer made of an insulator as a nonmagnetic intermediate layer between the storage layer and the magnetization fixed layer. Configure the element.
By constructing a magnetic tunnel junction (MTJ) element using a tunnel insulating layer, a magnetoresistance change rate (MR ratio) is compared with a case where a giant magnetoresistive effect (GMR) element is constructed using a nonmagnetic conductive layer. This is because the read signal intensity can be increased.

また、トンネル絶縁層の材料として、特に、酸化マグネシウム(MgO)を用いることにより、これまで一般的に用いられてきた酸化アルミニウムを用いた場合よりも、磁気抵抗変化率(MR比)を大きくすることができる。
一般に、スピン注入効率はMR比に依存し、MR比が大きいほど、スピン注入効率が向上し、磁化反転電流密度を低減することができる。
従って、中間層であるトンネル絶縁層の材料として酸化マグネシウムを用い、同時に上述の構成の記憶層を用いることにより、スピン注入による書き込み閾値電流を低減することができ、少ない電流で情報の書き込み(記録)を行うことができる。また、読み出し信号強度を大きくすることができる。
これにより、MR比(TMR比)を確保して、スピン注入による書き込み閾値電流を低減することができ、少ない電流で情報の書き込み(記録)を行うことができる。また、読み出し信号強度を大きくすることができる。
In addition, by using magnesium oxide (MgO) as a material of the tunnel insulating layer, the magnetoresistance change rate (MR ratio) is made larger than when aluminum oxide that has been generally used so far is used. be able to.
In general, the spin injection efficiency depends on the MR ratio, and the higher the MR ratio, the higher the spin injection efficiency and the lower the magnetization reversal current density.
Therefore, by using magnesium oxide as the material of the tunnel insulating layer, which is an intermediate layer, and simultaneously using the memory layer having the above-described structure, the write threshold current due to spin injection can be reduced, and information can be written (recorded) with a small current. )It can be performed. In addition, the read signal intensity can be increased.
As a result, the MR ratio (TMR ratio) can be ensured, the write threshold current by spin injection can be reduced, and information can be written (recorded) with a small current. In addition, the read signal intensity can be increased.

トンネル絶縁層を酸化マグネシウム(MgO)膜により形成する場合には、MgO膜が結晶化していて、001方向に結晶配向性を維持していることがより望ましい。   When the tunnel insulating layer is formed of a magnesium oxide (MgO) film, it is more desirable that the MgO film is crystallized and the crystal orientation is maintained in the 001 direction.

なお、本発明において、記憶層と磁化固定層との間の中間層は、酸化マグネシウムから成る構成(トンネル絶縁層)とする他にも、例えば、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、SiO、Bi、MgF、CaF、SrTiO、AlLaO、Al−N−O等の各種の絶縁体、誘電体、半導体を用いて構成することもできる。 In the present invention, the intermediate layer between the storage layer and the magnetization fixed layer is made of magnesium oxide (tunnel insulating layer), for example, aluminum oxide, aluminum nitride, SiO 2 , Bi 2 O 3 , MgF 2 , CaF, SrTiO 2 , AlLaO 3 , Al—N—O, and other various insulators, dielectrics, and semiconductors can also be used.

さらにまた、中間層に酸化マグネシウムを用いた場合に優れた磁気抵抗効果特性(MR特性)を得るためには、アニール温度を300℃以上、望ましくは340℃〜360℃の高い温度とすることが要求される。これは、従来中間層に用いられていた酸化アルミニウムの場合のアニール温度の範囲(250℃〜280℃)と比較して、高温になっている。
これは、酸化マグネシウム等のトンネル絶縁層の適正な内部構造や結晶構造を形成するために必要になるからである、と考えられる。
Furthermore, in order to obtain excellent magnetoresistance effect characteristics (MR characteristics) when magnesium oxide is used for the intermediate layer, the annealing temperature should be set to a high temperature of 300 ° C. or higher, desirably 340 ° C. to 360 ° C. Required. This is higher than the annealing temperature range (250 ° C. to 280 ° C.) in the case of aluminum oxide conventionally used for the intermediate layer.
This is considered to be necessary for forming an appropriate internal structure or crystal structure of the tunnel insulating layer such as magnesium oxide.

このため、記憶素子の強磁性層にも、この高い温度のアニールに耐性を有するように、耐熱性のある強磁性材料を用いることにより、優れたMR特性を得ることができる。   For this reason, excellent MR characteristics can be obtained by using a heat-resistant ferromagnetic material so that the ferromagnetic layer of the memory element is resistant to this high temperature annealing.

トンネル絶縁層の面積抵抗値は、スピン注入により記憶層の磁化の向きを反転させるために必要な電流密度を得る観点から、数十Ωμm程度以下に制御する必要がある。
そして、MgO膜から成るトンネル絶縁層では、面積抵抗値を上述の範囲とするために、MgO膜の膜厚を1.5nm以下に設定する必要がある。
The sheet resistance value of the tunnel insulating layer needs to be controlled to about several tens of Ωμm 2 or less from the viewpoint of obtaining a current density necessary for reversing the magnetization direction of the storage layer by spin injection.
In the tunnel insulating layer made of the MgO film, the film thickness of the MgO film needs to be set to 1.5 nm or less in order to make the sheet resistance value in the above range.

また、記憶層の磁化の向きを、小さい電流で容易に反転できるように、記憶素子を小さくすることが望ましい。
従って、好ましくは、記憶素子の面積を0.04μm以下とする。
In addition, it is desirable to make the memory element small so that the magnetization direction of the memory layer can be easily reversed with a small current.
Accordingly, the area of the memory element is preferably 0.04 μm 2 or less.

なお、上述した構成条件を有する記憶層と、材料又は組成範囲の異なる他の強磁性層とを直接積層させることも可能である。また、強磁性層と軟磁性層とを積層させたり、複数層の強磁性層を軟磁性層や非磁性層を介して積層させたりすることも可能である。このように積層させた場合でも、本発明の効果が得られる。
特に複数層の強磁性層を非磁性層に介して積層させた構成としたときには、強磁性層の層間の相互作用の強さを調整することが可能になるため、記憶素子の寸法がサブミクロン以下になっても、磁化反転電流が大きくならないように抑制することが可能になるという効果が得られる。この場合の非磁性層の材料としては、Ru,Os,Re,Ir,Au,Ag,Cu,Al,Bi,Si,B,C,Cr,Ta,Pd,Pt,Zr,Hf,W,Mo,Nbまたはそれらの合金を用いることができる。
Note that it is also possible to directly stack a storage layer having the above-described configuration conditions and another ferromagnetic layer having a different material or composition range. It is also possible to stack a ferromagnetic layer and a soft magnetic layer, or to stack a plurality of ferromagnetic layers via a soft magnetic layer or a nonmagnetic layer. The effect of the present invention can be obtained even when stacked in this way.
In particular, when a plurality of ferromagnetic layers are laminated via a nonmagnetic layer, the strength of interaction between the ferromagnetic layers can be adjusted. Even if it becomes below, the effect that it becomes possible to suppress so that a magnetization reversal current may not become large is acquired. The material of the nonmagnetic layer in this case is Ru, Os, Re, Ir, Au, Ag, Cu, Al, Bi, Si, B, C, Cr, Ta, Pd, Pt, Zr, Hf, W, Mo. , Nb or their alloys can be used.

磁化固定層は、一方向の異方性を有していることが望ましく、記憶層は一軸異方性を有していることが望ましい。
また、磁化固定層及び記憶層のそれぞれの膜厚は、1nm〜30nmであることが好ましい。
The magnetization fixed layer preferably has unidirectional anisotropy, and the storage layer preferably has uniaxial anisotropy.
Moreover, it is preferable that each film thickness of a magnetization fixed layer and a memory layer is 1 nm-30 nm.

記憶素子のその他の構成は、スピン注入により情報を記録する記憶素子の従来公知の構成と同様とすることができる。   The other configuration of the storage element can be the same as a conventionally known configuration of the storage element that records information by spin injection.

磁化固定層は、強磁性層のみにより、或いは反強磁性層と強磁性層の反強磁性結合を利用することにより、その磁化の向きが固定された構成とする。
また、磁化固定層は、単層の強磁性層から成る構成、或いは複数層の強磁性層を非磁性層を介して積層した積層フェリ構造とする。
磁化固定層を積層フェリ構造としたときには、磁化固定層の外部磁界に対する感度を低下させることができるため、外部磁界による磁化固定層の不要な磁化変動を抑制して、記憶素子を安定して動作させることができる。さらに、各強磁性層の膜厚を調整することができ、磁化固定層からの漏洩磁界を抑えることができる。
積層フェリ構造の磁化固定層を構成する強磁性層の材料としては、Co,CoFe,CoFeB等を用いることができる。また、非磁性層の材料としては、Ru,Re,Ir,Os等を用いることができる。
The magnetization fixed layer has a configuration in which the magnetization direction is fixed only by the ferromagnetic layer or by using the antiferromagnetic coupling between the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer.
In addition, the magnetization fixed layer has a single-layered ferromagnetic layer structure or a laminated ferrimagnetic structure in which a plurality of ferromagnetic layers are stacked via a nonmagnetic layer.
When the magnetization pinned layer has a laminated ferrimagnetic structure, the sensitivity of the magnetization pinned layer to the external magnetic field can be reduced. Therefore, unnecessary magnetization fluctuations in the magnetization pinned layer due to the external magnetic field are suppressed, and the memory element operates stably. Can be made. Furthermore, the film thickness of each ferromagnetic layer can be adjusted, and the leakage magnetic field from the magnetization fixed layer can be suppressed.
Co, CoFe, CoFeB, or the like can be used as the material of the ferromagnetic layer constituting the magnetization fixed layer having the laminated ferrimagnetic structure. Moreover, Ru, Re, Ir, Os etc. can be used as a material of a nonmagnetic layer.

反強磁性層の材料としては、FeMn合金、PtMn合金、PtCrMn合金、NiMn合金、IrMn合金、NiO、Fe等の磁性体を挙げることができる。
また、これらの磁性体に、Ag,Cu,Au,Al,Si,Bi,Ta,B,C,O,N,Pd,Pt,Zr,Hf,Ir,W,Mo,Nb等の非磁性元素を添加して、磁気特性を調整したり、その他の結晶構造や結晶性や物質の安定性等の各種物性を調整したりすることができる。
Examples of the material of the antiferromagnetic layer include magnetic materials such as FeMn alloy, PtMn alloy, PtCrMn alloy, NiMn alloy, IrMn alloy, NiO, and Fe 2 O 3 .
In addition, nonmagnetic elements such as Ag, Cu, Au, Al, Si, Bi, Ta, B, C, O, N, Pd, Pt, Zr, Hf, Ir, W, Mo, and Nb are included in these magnetic materials. Can be added to adjust the magnetic properties and other physical properties such as crystal structure, crystallinity and material stability.

また、記憶素子の膜構成は、記憶層が磁化固定層の上側に配置される構成でも、下側に配置される構成でも全く問題はない。   In addition, the film configuration of the storage element has no problem whether the storage layer is disposed above the magnetization fixed layer or the lower layer.

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

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

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

また、本実施の形態のメモリの記憶素子3の断面図を図2に示す。
図2に示すように、この記憶素子3は、スピン注入により磁化M1の向きが反転する記憶層17に対して、下層に磁化固定層31を設けている。磁化固定層31の下に反強磁性層12が設けられ、この反強磁性層12により、磁化固定層31の磁化の向きが固定される。
記憶層17と磁化固定層31との間には、トンネルバリア層(トンネル絶縁層)となる絶縁層16が設けられ、記憶層17と磁化固定層31とにより、MTJ素子が構成されている。
また、反強磁性層12の下には下地層11が形成され、記憶層17の上にはキャップ層18が形成されている。
A cross-sectional view of the memory element 3 of the memory according to the present embodiment is shown in FIG.
As shown in FIG. 2, the storage element 3 is provided with a fixed magnetization layer 31 in the lower layer with respect to the storage layer 17 in which the direction of the magnetization M1 is reversed by spin injection. The antiferromagnetic layer 12 is provided under the magnetization fixed layer 31, and the magnetization direction of the magnetization fixed layer 31 is fixed by the antiferromagnetic layer 12.
An insulating layer 16 serving as a tunnel barrier layer (tunnel insulating layer) is provided between the storage layer 17 and the magnetization fixed layer 31, and the storage layer 17 and the magnetization fixed layer 31 constitute an MTJ element.
A base layer 11 is formed below the antiferromagnetic layer 12, and a cap layer 18 is formed on the storage layer 17.

磁化固定層31は、積層フェリ構造となっている。
具体的には、磁化固定層31は、2層の強磁性層13,15が、非磁性層14を介して積層されて反強磁性結合した構成である。
磁化固定層31の各強磁性層13,15が積層フェリ構造となっているため、強磁性層13の磁化M13が右向き、強磁性層15の磁化M15が左向きとなっており、互いに反対向きになっている。これにより、磁化固定層31の各強磁性層13,15から漏れる磁束が、互いに打ち消し合う。
The magnetization fixed layer 31 has a laminated ferrimagnetic structure.
Specifically, the magnetization fixed layer 31 has a configuration in which two ferromagnetic layers 13 and 15 are stacked via a nonmagnetic layer 14 and antiferromagnetically coupled.
Since each of the ferromagnetic layers 13 and 15 of the magnetization fixed layer 31 has a laminated ferrimagnetic structure, the magnetization M13 of the ferromagnetic layer 13 is directed to the right, and the magnetization M15 of the ferromagnetic layer 15 is directed to the left. It has become. Thereby, the magnetic fluxes leaking from the ferromagnetic layers 13 and 15 of the magnetization fixed layer 31 cancel each other.

磁化固定層31の強磁性層13,15の材料としては、特に限定はないが、鉄、ニッケル、コバルトの1種もしくは2種以上からなる合金材料を用いることができる。さらにNb,Zr,Gd,Ta,Ti,Mo,Mn,Cu等の遷移金属元素やSi,B,C等の軽元素を含有させることもできる。また、例えばCoFe/NiFe/CoFeの積層膜といったように、材料が異なる複数の膜を直接(非磁性層を介さずに)積層して、強磁性層13,15を構成してもよい。
磁化固定層31の積層フェリを構成する非磁性層14の材料としては、ルテニウム、銅、クロム、金、銀等が使用できる。
The material of the ferromagnetic layers 13 and 15 of the magnetization fixed layer 31 is not particularly limited, and an alloy material composed of one or more of iron, nickel, and cobalt can be used. Furthermore, transition metal elements such as Nb, Zr, Gd, Ta, Ti, Mo, Mn, and Cu, and light elements such as Si, B, and C can also be included. Alternatively, the ferromagnetic layers 13 and 15 may be configured by directly stacking a plurality of films of different materials (not via a nonmagnetic layer) such as a CoFe / NiFe / CoFe stacked film.
As the material of the nonmagnetic layer 14 constituting the laminated ferrimagnetic pinned layer 31, ruthenium, copper, chromium, gold, silver or the like can be used.

本実施の形態においては、特に、記憶素子3が、記憶層17の上面、もしくは、記憶層17よりも下層に、前述した一軸異方性のテクスチャー構造を有する構成である。
なお、図2は、記憶素子3の記憶層17及び磁化固定層31(13,15)の磁化容易軸方向の断面図であるため、テクスチャー構造が現れていない。
そこで、テクスチャー構造が現れるように、記憶素子3の記憶層17及び磁化固定層31(13,15)の磁化困難軸方向の断面図を、図3A及び図3Bに示す。図3Aは、記憶層17の上面にテクスチャー構造を形成した場合を示している。図3Bは、記憶層17よりも下層にある下地層11の上面にテクスチャー構造を形成した場合を示している。
In the present embodiment, in particular, the memory element 3 has the above-described uniaxial anisotropic texture structure on the upper surface of the memory layer 17 or on the lower layer than the memory layer 17.
Note that FIG. 2 is a cross-sectional view of the storage layer 17 and the magnetization fixed layer 31 (13, 15) of the storage element 3 in the direction of the easy axis of magnetization, so that the texture structure does not appear.
3A and 3B are sectional views of the storage layer 17 and the magnetization fixed layer 31 (13, 15) of the storage element 3 in the hard axis direction so that the texture structure appears. FIG. 3A shows a case where a texture structure is formed on the upper surface of the storage layer 17. FIG. 3B shows a case where a texture structure is formed on the upper surface of the underlying layer 11 below the storage layer 17.

図3Aに示すように、記憶層17の上面にテクスチャー構造17Aを形成した場合には、記憶層17の上面に、テクスチャー構造17Aによる一軸異方性の凹凸が形成されており、その上にキャップ層18が形成される。   As shown in FIG. 3A, when the texture structure 17A is formed on the upper surface of the memory layer 17, the uniaxial anisotropy due to the texture structure 17A is formed on the upper surface of the memory layer 17, and the cap is formed thereon. Layer 18 is formed.

図3Bに示すように、下地層17の上面にテクスチャー構造11Aを形成した場合には、下地層11の上面のテクスチャー構造11A上に、反強磁性層12が形成される。
そして、下地層11の上面のテクスチャー構造11Aの凹凸が、図示しないが、上層の各層12,13,14,15,16に反映されていき、記憶層17の下の絶縁層16にも一軸異方性の凹凸が形成される。
これにより、記憶層17の下面にも一軸異方性の凹凸が形成される。
As shown in FIG. 3B, when the texture structure 11 </ b> A is formed on the upper surface of the foundation layer 17, the antiferromagnetic layer 12 is formed on the texture structure 11 </ b> A on the upper surface of the foundation layer 11.
The unevenness of the texture structure 11 </ b> A on the upper surface of the base layer 11 is reflected in the upper layers 12, 13, 14, 15, and 16, although not shown, and the insulating layer 16 below the storage layer 17 is also uniaxially different. Isotropic irregularities are formed.
Thereby, uniaxially anisotropic irregularities are also formed on the lower surface of the memory layer 17.

記憶層17よりも下層にテクスチャー構造を形成する場合、記憶素子3の特性を損なわない限りは、下地層11の以外の層にテクスチャー構造を形成してもよい。
下地層11から絶縁層16までのいずれの層にテクスチャー構造を形成しても、上層にある記憶層17に反映される。
なお、絶縁層16は、前述したように他の層よりも薄く、テクスチャー構造を絶縁層16に形成すると層の状態や特性(耐圧やMR比)等を損なうおそれがある。このため、テクスチャー構造を、テクスチャー絶縁層16以外の層に形成することが望ましい。
When a texture structure is formed below the storage layer 17, the texture structure may be formed in a layer other than the base layer 11 as long as the characteristics of the storage element 3 are not impaired.
Even if the texture structure is formed in any layer from the base layer 11 to the insulating layer 16, it is reflected in the upper storage layer 17.
Note that the insulating layer 16 is thinner than the other layers as described above, and if the texture structure is formed on the insulating layer 16, the state and characteristics (breakdown voltage and MR ratio) of the layer may be impaired. For this reason, it is desirable to form the texture structure in a layer other than the texture insulating layer 16.

テクスチャー構造の形成には、前述したように、研磨やエッチング等の方法を用いることができる。   For the formation of the texture structure, as described above, methods such as polishing and etching can be used.

さらに、本実施の形態において、中間層である絶縁層16を、酸化マグネシウム層とした場合には、磁気抵抗変化率(MR比)を高くすることができる。
このようにMR比を高くすることによって、スピン注入の効率を向上して、記憶層17の磁化M1の向きを反転させるために必要な電流密度を低減することができる。
Furthermore, in this embodiment, when the insulating layer 16 that is an intermediate layer is a magnesium oxide layer, the magnetoresistance change rate (MR ratio) can be increased.
By increasing the MR ratio in this way, the efficiency of spin injection can be improved, and the current density required for reversing the direction of the magnetization M1 of the storage layer 17 can be reduced.

本実施の形態の記憶素子3は、下地層11からキャップ層18までを真空装置内で連続的に形成して、その後エッチング等の加工によって記憶素子3のパターンを形成することにより、製造することができる。   The memory element 3 of the present embodiment is manufactured by continuously forming the base layer 11 to the cap layer 18 in a vacuum apparatus, and then forming a pattern of the memory element 3 by processing such as etching. Can do.

上述の本実施の形態によれば、記憶層17の上面、もしくは、記憶層17よりも下層に、前述した一軸異方性のテクスチャー構造を有することにより、記憶層17の上面又は下面に、一軸異方性の凹凸が形成されている。これにより、記憶層17の実効的な異方性磁界を増大させることができるため、記憶層17の熱安定性を向上することが可能になる。
そして、記憶層17の飽和磁化量Msを増大させなくても、記憶層17の熱安定性を向上することができるので、記憶層17に飽和磁化量Msの低い材料を使用しても、充分に記憶層17の熱安定性を確保することが可能になる。これにより、記憶層17に飽和磁化量Msの低い材料を使用して、記憶層17の磁化M1の向きを反転させるために必要となる、書き込み電流量を低減することも可能になる。
According to this embodiment described above, the upper surface of the memory layer 17 or the lower layer of the memory layer 17 has the above-described uniaxial anisotropic texture structure, so that the upper surface or the lower surface of the memory layer 17 is uniaxially formed. An anisotropic unevenness is formed. Thereby, since the effective anisotropic magnetic field of the memory layer 17 can be increased, the thermal stability of the memory layer 17 can be improved.
Since the thermal stability of the storage layer 17 can be improved without increasing the saturation magnetization amount Ms of the storage layer 17, even if a material having a low saturation magnetization amount Ms is used for the storage layer 17, sufficient In addition, the thermal stability of the storage layer 17 can be ensured. This makes it possible to reduce the amount of write current required to reverse the direction of the magnetization M1 of the storage layer 17 by using a material having a low saturation magnetization amount Ms for the storage layer 17.

記憶層17の熱安定性が向上することにより、記憶素子3に対して電流を流して情報を記録する、動作領域を拡大することが可能になり、動作のマージンを広く確保し、記憶素子3を安定して動作させることができる。   By improving the thermal stability of the memory layer 17, it is possible to expand an operation area in which information is recorded by passing a current to the memory element 3, and a wide operation margin is ensured. Can be operated stably.

また、記憶素子3の記憶層17に充分な熱安定性を確保しても、書き込み電流が増えることがないので、大きな電圧をかける必要がなくなることから、中間層である絶縁層16が絶縁破壊されることもなくなる。
従って、安定して動作する信頼性の高いメモリを実現することができる。
Further, even if sufficient thermal stability is ensured for the memory layer 17 of the memory element 3, the write current does not increase, so that it is not necessary to apply a large voltage. It will not be done.
Therefore, a highly reliable memory that operates stably can be realized.

さらにまた、書き込み電流を低減しても、熱安定性を充分に確保することが可能となるため、書き込み電流を低減して、記憶素子3に書き込みを行う際の消費電力を低減することが可能になる。
これにより、本実施の形態の記憶素子3によりメモリセルを構成した、メモリ全体の消費電力を低減することも可能になる。
Furthermore, even if the write current is reduced, sufficient thermal stability can be ensured, so the write current can be reduced and the power consumption when writing to the memory element 3 can be reduced. become.
Thereby, it becomes possible to reduce the power consumption of the entire memory in which the memory cell is configured by the storage element 3 of the present embodiment.

従って、情報保持特性が優れた、安定して動作する信頼性の高いメモリを実現することができ、記憶素子3を備えたメモリにおいて、消費電力を低減することができる。   Accordingly, a highly reliable memory that has excellent information retention characteristics and operates stably can be realized, and power consumption can be reduced in the memory including the memory element 3.

また、図2に示した記憶素子3を備え、図1に示した構成のメモリは、メモリを製造する際に、一般の半導体MOS形成プロセスを適用できるという利点を有している。例えば、340℃〜360℃のアニールにも、記憶層17の磁気特性が劣化することがなく、耐えうるようになる。
従って、本実施の形態の記憶素子3を備えたメモリを、汎用メモリとして適用することが可能になる。
Further, the memory having the memory element 3 shown in FIG. 2 and having the configuration shown in FIG. 1 has an advantage that a general semiconductor MOS formation process can be applied when the memory is manufactured. For example, it is possible to withstand annealing at 340 ° C. to 360 ° C. without deteriorating the magnetic characteristics of the memory layer 17.
Therefore, a memory including the memory element 3 of the present embodiment can be applied as a general-purpose memory.

ここで、本発明の記憶素子の構成において、具体的に記憶層を構成する強磁性材料等、各層の材料や膜厚等を選定して、特性を調べた。
具体的に記憶層を構成する強磁性層のより下層、もしくは、強磁性層上面に一軸異方性を持ったテクスチャー構造を有する層を導入した素子を作製し、
実際のメモリでは、図1や図9に示したように、記憶素子以外にもスイッチング用の半導体回路等が存在するが、選択用のトランジスタや下層配線の製造工程については、説明を省略する。
Here, in the configuration of the memory element of the present invention, the characteristics and the properties were examined by selecting the material and film thickness of each layer, such as the ferromagnetic material that specifically configures the memory layer.
Specifically, an element in which a layer having a texture structure with uniaxial anisotropy is introduced on the lower layer of the ferromagnetic layer constituting the memory layer or on the upper surface of the ferromagnetic layer,
As shown in FIGS. 1 and 9, in an actual memory, there are switching semiconductor circuits and the like in addition to the memory element, but the description of the manufacturing process of the selection transistor and the lower layer wiring is omitted.

厚さ0.725mmのシリコン基板上に、厚さ300nmの熱酸化膜を形成し、その上に図2に示した構成の記憶素子3を形成した。
具体的には、図2に示した構成の記憶素子3において、各層の材料及び膜厚を、下地膜11を膜厚10nmのTa膜、反強磁性層12を膜厚20nmのPtMn膜、磁化固定層31を構成する強磁性層13を膜厚2nmのCoFe膜、強磁性層15を膜厚2.5nmのCoFeB膜、積層フェリ構造の磁化固定層31を構成する非磁性層14を膜厚0.8nmのRu膜、トンネル絶縁層となる絶縁層(バリア層)16を膜厚0.9nmの酸化マグネシウム膜、記憶層17の強磁性層を膜厚2.5nmのCoFeB膜、キャップ層18を膜厚5nmのTa膜と選定し、また下地膜11と反強磁性層12との間に図示しない膜厚100nmのCu膜(後述するワード線となるもの)を設けて、各層を形成した。
上記膜構成で、記憶層17の強磁性層のCoFeB膜の組成はCo45Fe30B25(原子%)、PtMn膜の組成はPt50Mn50(原子%)、CoFe膜の組成はCo90Fe10(原子%)とした。
A thermal oxide film having a thickness of 300 nm was formed on a silicon substrate having a thickness of 0.725 mm, and the memory element 3 having the configuration shown in FIG. 2 was formed thereon.
Specifically, in the memory element 3 having the configuration shown in FIG. 2, the material and thickness of each layer are as follows: the underlayer 11 is a Ta film with a thickness of 10 nm, the antiferromagnetic layer 12 is a PtMn film with a thickness of 20 nm, and the magnetization The ferromagnetic layer 13 constituting the fixed layer 31 is a CoFe film having a thickness of 2 nm, the ferromagnetic layer 15 is a CoFeB film having a thickness of 2.5 nm, and the nonmagnetic layer 14 constituting the magnetization fixed layer 31 having a laminated ferrimagnetic structure is formed. A 0.8 nm Ru film, a tunnel insulating layer (barrier layer) 16 as a 0.9 nm thick magnesium oxide film, a memory layer 17 as a ferromagnetic layer as a 2.5 nm thick CoFeB film, and a cap layer 18. Was selected as a Ta film having a thickness of 5 nm, and a Cu film (not shown) having a thickness of 100 nm (to be described later) was provided between the base film 11 and the antiferromagnetic layer 12 to form each layer. .
In the above film configuration, the composition of the CoFeB film of the ferromagnetic layer of the memory layer 17 was Co45Fe30B25 (atomic%), the composition of the PtMn film was Pt50Mn50 (atomic%), and the composition of the CoFe film was Co90Fe10 (atomic%).

テクスチャー構造は、下地層11の膜厚10nmのTa膜を成膜した後、もしくは記憶層17のCoFeB膜を成膜した後に導入した。記憶層17の上面にテクスチャー構造17Aを導入する際は、記憶層17の実効的な膜厚が2.5nmになるように調整した。
テクスチャー構造は、エッチングにより形成した。
酸化マグネシウム膜から成る絶縁層16以外の各層は、DCマグネトロンスパッタ法を用いて成膜した。
酸化マグネシウム(MgO)膜から成る絶縁層16は、RFマグネトロンスパッタ法を用いて成膜した。
さらに、記憶素子3の各層を成膜した後に、磁場中熱処理炉で、10kOe・360℃・2時間の熱処理を行い、反強磁性層12のPtMn膜の規則化熱処理を行った。
ただし、テクスチャー構造による異方性磁界を評価する試料における熱処理は、0kOe(磁界を印加しない)・360℃・2時間の条件で行った。
The texture structure was introduced after a Ta film having a thickness of 10 nm for the underlayer 11 was formed or after a CoFeB film for the memory layer 17 was formed. When the texture structure 17A was introduced on the upper surface of the memory layer 17, the effective film thickness of the memory layer 17 was adjusted to 2.5 nm.
The texture structure was formed by etching.
Each layer other than the insulating layer 16 made of a magnesium oxide film was formed using a DC magnetron sputtering method.
The insulating layer 16 made of a magnesium oxide (MgO) film was formed using an RF magnetron sputtering method.
Further, after each layer of the memory element 3 was formed, a heat treatment was performed at 10 kOe · 360 ° C. for 2 hours in a magnetic field heat treatment furnace, and an orderly heat treatment was performed on the PtMn film of the antiferromagnetic layer 12.
However, the heat treatment in the sample for evaluating the anisotropic magnetic field due to the texture structure was performed under the conditions of 0 kOe (no magnetic field applied), 360 ° C., and 2 hours.

次に、ワード線部分をフォトリソグラフィによってマスクした後に、ワード線以外の部分の積層膜に対してArプラズマにより選択エッチングを行うことにより、ワード線(下部電極)を形成した。この際に、ワード線部分以外は、基板の深さ5nmまでエッチングされた。
その後、電子ビーム描画装置により記憶素子3のパターンのマスクを形成し、積層膜に対して選択エッチングを行い、記憶素子3を形成した。記憶素子3部分以外は、ワード線のCu層直上までエッチングした。
なお、特性評価用の記憶素子には、磁化反転に必要なスピントルクを発生させるために、記憶素子に充分な電流を流す必要があるため、トンネル絶縁層の抵抗値を抑える必要がある。そこで、記憶素子3のパターンを、短軸0.09μm×長軸0.18μmの楕円形状として、記憶素子3の面積抵抗値(Ωμm2)が20Ωμm2となるようにした。
次に、記憶素子3部分以外を、厚さ100nm程度のAlのスパッタリングによって絶縁した。
その後、フォトリソグラフィを用いて、上部電極となるビット線及び測定用のパッドを形成した。
このようにして、記憶素子3の試料を作製した。
なお、異方性磁界の評価のために、さらに、8mm×8mm角のベタ膜状の試料を作製した。
Next, after masking the word line portion by photolithography, the word line (lower electrode) was formed by performing selective etching with Ar plasma on the laminated film other than the word line. At this time, except for the word line portion, the substrate was etched to a depth of 5 nm.
Thereafter, a mask of the pattern of the memory element 3 was formed by an electron beam drawing apparatus, and selective etching was performed on the laminated film to form the memory element 3. Except for the memory element 3 portion, the etching was performed up to the Cu layer of the word line.
In addition, in order to generate the spin torque necessary for the magnetization reversal, it is necessary to flow a sufficient current through the storage element for the characteristic evaluation storage element, and thus it is necessary to suppress the resistance value of the tunnel insulating layer. Therefore, the pattern of the memory element 3 is an ellipse having a minor axis of 0.09 μm and a major axis of 0.18 μm, and the area resistance value (Ωμm 2 ) of the memory element 3 is 20 Ωμm 2 .
Next, the portions other than the memory element 3 portion were insulated by sputtering of Al 2 O 3 having a thickness of about 100 nm.
Thereafter, a bit line to be an upper electrode and a measurement pad were formed using photolithography.
In this way, a sample of the memory element 3 was produced.
For the evaluation of the anisotropic magnetic field, a solid film sample of 8 mm × 8 mm square was further prepared.

上述の製造方法により、それぞれ下地層11もしくは記憶層17に導入するテクスチャー構造11A,17Aの面粗度(平均粗さRa)を変化させた記憶素子3を有する各試料を作製した。また、比較例として、テクスチャー構造を形成していない試料を作製した。各試料の形成条件は、表1に示している。試料No.1が比較例の試料、試料No.2〜No.5が記憶層17の上面にテクスチャー構造17Aを形成した試料、試料No.6〜No.10が下地層11の上面にテクスチャー構造11Aを形成した試料である。
面粗度としては、前述した平均粗さRaを採用した。そして、テクスチャー構造11A,17Aの平均粗さRaを、デジタルインスツルメンツ社製のNano Scope III contact AFMを使用して、測定した。なお、比較例の平均粗さRaは、記憶層17の上面を測定した値である。
Each sample having the memory element 3 in which the surface roughness (average roughness Ra) of the texture structures 11A and 17A introduced into the underlayer 11 or the memory layer 17 was changed by the above-described manufacturing method was produced. Moreover, the sample which has not formed the texture structure was produced as a comparative example. The formation conditions for each sample are shown in Table 1. Sample No. 1 is a sample of the comparative example, sample No. 2-No. 5 is a sample in which the texture structure 17A is formed on the upper surface of the memory layer 17, sample No. 5; 6-No. Reference numeral 10 denotes a sample in which the texture structure 11 </ b> A is formed on the upper surface of the base layer 11.
As the surface roughness, the above-described average roughness Ra was adopted. Then, the average roughness Ra of the texture structures 11A and 17A was measured using a Nano Scope III contact AFM manufactured by Digital Instruments. The average roughness Ra of the comparative example is a value obtained by measuring the upper surface of the memory layer 17.

Figure 2007317734
Figure 2007317734

作製した記憶素子3の各試料に対して、それぞれ以下のようにして、特性の評価を行った。
測定に先立ち、反転電流のプラス方向とマイナス方向の値を対称になるように制御することを可能にするため、記憶素子3に対して、外部から磁界を与えることができるように構成した。また、記憶素子3に印加される電圧が、絶縁層16が破壊しない範囲内の1Vまでとなるように設定した。
The characteristics of each sample of the produced memory element 3 were evaluated as follows.
Prior to the measurement, the storage element 3 was configured to be able to apply a magnetic field from the outside in order to control the positive and negative values of the reversal current to be symmetrical. Further, the voltage applied to the memory element 3 was set to 1 V within a range where the insulating layer 16 was not broken.

(異方性磁界及び飽和磁化量の測定)
テクスチャー構造と平行な方向と垂直な方向にそれぞれ磁場を印加した場合において、VSM(Vibrating Sample Magnetometer )測定を行い、垂直方向に磁場を印加したときに記憶層の磁化が飽和する磁場を求めることにより、異方性磁界の大きさを決定した。なお、異方性磁界測定用の試料には、印加磁場0kOe(磁場の印加なし)・360℃・2時間の条件で熱処理を行っている。
また、飽和磁化量も、VSM測定によって求めた。
(Measurement of anisotropic magnetic field and saturation magnetization)
By applying a VSM (Vibrating Sample Magnetometer) measurement when a magnetic field is applied in a direction parallel to the texture structure and in a direction perpendicular to the texture structure, and obtaining a magnetic field at which the magnetization of the storage layer is saturated when the magnetic field is applied in the vertical direction. The magnitude of the anisotropic magnetic field was determined. The sample for anisotropic magnetic field measurement is heat-treated under the conditions of an applied magnetic field of 0 kOe (no magnetic field applied), 360 ° C., and 2 hours.
The saturation magnetization was also determined by VSM measurement.

(保磁力の測定)
記憶素子の保磁力の測定を行った。
まず、記憶素子に連続的に変化する外部磁場を加えながら、記憶素子の抵抗値を測定した。このとき、温度を室温25℃として、ワード線の端子とビット線の端子にかかるバイアス電圧が10mVとなるように調節した。
そして、記憶層の磁化の向きとは反対の方向に外部磁場を加えていき、外部磁界が記憶層の保磁力を上回ると、記憶層の磁化の向きが反転する。磁化の向きが反転することにより、記憶素子の抵抗値が変化するので、この抵抗値が変化したときの外部磁界の大きさを記憶素子の保磁力と等しいとみなして、記憶素子の保磁力を得た。
(Measurement of coercive force)
The coercivity of the memory element was measured.
First, the resistance value of the memory element was measured while applying a continuously changing external magnetic field to the memory element. At this time, the temperature was set to room temperature of 25 ° C., and the bias voltage applied to the word line terminal and the bit line terminal was adjusted to 10 mV.
Then, an external magnetic field is applied in a direction opposite to the magnetization direction of the storage layer, and when the external magnetic field exceeds the coercive force of the storage layer, the magnetization direction of the storage layer is reversed. Since the resistance value of the memory element changes due to the reversal of the magnetization direction, the magnitude of the external magnetic field when this resistance value changes is considered to be equal to the coercivity of the memory element, and the coercivity of the memory element is Obtained.

(反転電流値及び熱安定性の測定)
本発明による記憶素子の書き込み特性を評価する目的で、反転電流値の測定を行った。
記憶素子に10μsから100msのパルス幅の電流を流して、その後の記憶素子の抵抗値を測定した。さらに、記憶素子に流す電流量を変化させて、この記憶層の磁化が反転する電流値を求めた。この電流値のパルス幅依存性をパルス幅1nsに外挿した値を、反転電流値とした。
(Measurement of reversal current value and thermal stability)
In order to evaluate the writing characteristics of the memory element according to the present invention, the inversion current value was measured.
A current having a pulse width of 10 μs to 100 ms was passed through the memory element, and then the resistance value of the memory element was measured. Further, the amount of current flowing through the storage element was changed to obtain a current value at which the magnetization of the storage layer was reversed. A value obtained by extrapolating the pulse width dependence of the current value to a pulse width of 1 ns was defined as an inversion current value.

また、反転電流値のパルス幅依存性の傾きは、記憶素子の前述した熱安定性指標(Δ=KV/kT)に対応する。反転電流値がパルス幅によって変化しない(傾きが小さい)ほど、熱の擾乱に強いことを意味する。前述したように、メモリに用いるためには、60以上の熱安定性指標が必要である。
そして、記憶素子間のばらつきを考慮するために、同一構成の記憶素子を20個程度作製して、上述の測定を行い、反転電流値及び熱安定性指標の平均値を求めた。
各試料の測定結果を、図5〜図8に示す。なお、図5〜図8において、「下地層タイプ」はNo.6〜No.10の試料の測定結果を示し、「記憶層タイプ」はNo.2〜No.5の試料の測定結果を示しており、比較例のNo.1の試料の測定結果は、下地層タイプ及び記憶層タイプの0.68nmの値として示している。
In addition, the slope of the pulse width dependency of the inversion current value corresponds to the above-described thermal stability index (Δ = KV / k B T) of the memory element. It means that the more the reverse current value does not change with the pulse width (the smaller the slope), the stronger the heat disturbance. As described above, a thermal stability index of 60 or more is necessary for use in a memory.
Then, in order to take into account the variation between the storage elements, about 20 storage elements having the same configuration were manufactured, and the above-described measurement was performed to obtain the average value of the reversal current value and the thermal stability index.
The measurement results of each sample are shown in FIGS. In FIG. 5 to FIG. 6-No. 10 shows the measurement results of 10 samples. 2-No. 5 shows the measurement results of the sample No. 5, and the comparative example No. The measurement result of the sample No. 1 is shown as a value of 0.68 nm for the base layer type and the memory layer type.

テクスチャー構造の平均粗さRaと異方性磁界Hanとの関係を、図5に示す。
図5より、下地層11及び記憶層17のいずれの層に一軸異方性を有するテクスチャー構造を導入した場合においても、その平均粗さRaが1.1nm以上のときは、異方性磁界Hanが50[Oe]以上になっていることが確認できる。異方性磁界Hanは、平均粗さRaが1.5nm程度のときにピークをとっているように見える。これは平均粗さRaが必要以上に大きくなった場合、その凹凸により、記憶層の磁気特性が劣化することによるものである。
FIG. 5 shows the relationship between the average roughness Ra of the texture structure and the anisotropic magnetic field Han.
From FIG. 5, even when a texture structure having uniaxial anisotropy is introduced into any one of the underlayer 11 and the storage layer 17, when the average roughness Ra is 1.1 nm or more, the anisotropic magnetic field Han Can be confirmed to be 50 [Oe] or more. The anisotropic magnetic field Han appears to have a peak when the average roughness Ra is about 1.5 nm. This is because when the average roughness Ra becomes larger than necessary, the magnetic characteristics of the storage layer are deteriorated due to the unevenness.

テクスチャー構造の平均粗さRaと保磁力Hcとの関係を、図6に示す。
図6より、図5に示した異方性磁界Hanの増加に対応して、保磁力の増大が確認された。
The relationship between the average roughness Ra of the texture structure and the coercive force Hc is shown in FIG.
From FIG. 6, it was confirmed that the coercive force increased corresponding to the increase of the anisotropic magnetic field Han shown in FIG.

テクスチャー構造の平均粗さRaと熱安定性指標KV/kTとの関係を、図7に示す。
図7より、熱安定性指標KV/kTは、図6に示した保磁力と対応して、平均粗さRaが1.1nm以上のときに大きく増大していることが分かる。図7から、テクスチャー構造を導入することにより、テクスチャー構造が無い場合と比較して、熱安定性指標KV/kTが30%程度以上向上していることが分かる。
The relationship between the average roughness Ra of the texture structure and the thermal stability index KV / k B T is shown in FIG.
From FIG. 7, it can be seen that the thermal stability index KV / k B T increases greatly when the average roughness Ra is 1.1 nm or more, corresponding to the coercive force shown in FIG. From FIG. 7, it can be seen that by introducing the texture structure, the thermal stability index KV / k B T is improved by about 30% or more compared to the case without the texture structure.

テクスチャー構造の平均粗さRaと記憶層17の飽和磁化量Msとの関係を、図8に示す。
図8より、テクスチャー構造を導入した場合においても、記憶層の飽和磁化量Msの変動が無いことが確認される。このことにより、図7に示した熱安定性指標KV/kTの増大は単なる記憶層の飽和磁化量Msの増加によりもたらされたものではないことが分かる。
FIG. 8 shows the relationship between the average roughness Ra of the texture structure and the saturation magnetization Ms of the storage layer 17.
FIG. 8 confirms that there is no change in the saturation magnetization amount Ms of the storage layer even when the texture structure is introduced. Accordingly, it can be seen that the increase in the thermal stability index KV / k B T shown in FIG. 7 is not simply caused by the increase in the saturation magnetization amount Ms of the storage layer.

以上の図5〜図8の結果から、テクスチャー構造を導入し、かつテクスチャー構造の平均粗さRaを1.1nm以上とすることにより、異方性磁界が50[Oe]以上の場合に熱安定性指標KV/kTが大きく向上していることが確認された。
このことから、本発明の構成を用いることにより、意図的に熱安定性指標KV/kTを向上させることができ、飽和磁化Msの低い材料を記憶層に用いた場合においても、情報記録の熱安定性を保つことが可能になる。
From the results of FIGS. 5 to 8 described above, by introducing a texture structure and setting the average roughness Ra of the texture structure to 1.1 nm or more, thermal stability is achieved when the anisotropic magnetic field is 50 [Oe] or more. It was confirmed that the sex index KV / k B T was greatly improved.
Therefore, by using the configuration of the present invention, the thermal stability index KV / k B T can be intentionally improved, and information recording is possible even when a material having a low saturation magnetization Ms is used for the storage layer. It becomes possible to maintain the thermal stability of.

本発明では、上述の各実施の形態で示した記憶素子3の膜構成に限らず、様々な膜構成を採用することが可能である。   In the present invention, not only the film configuration of the memory element 3 shown in each of the embodiments described above but also various film configurations can be adopted.

上述の各実施の形態では、磁化固定層31が2層の強磁性層13,15と非磁性層14から成る積層フェリ構造となっているが、例えば、磁化固定層を単層の強磁性層により構成してもよい。   In each of the embodiments described above, the magnetization fixed layer 31 has a laminated ferrimagnetic structure composed of two ferromagnetic layers 13 and 15 and a nonmagnetic layer 14. For example, the magnetization fixed layer is a single-layer ferromagnetic layer. You may comprise by.

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

本発明の一実施の形態のメモリの概略構成図(斜視図)である。1 is a schematic configuration diagram (perspective view) of a memory according to an embodiment of the present invention. 図1の記憶素子の断面図(磁化容易軸方向の断面図)である。FIG. 2 is a cross-sectional view (a cross-sectional view in the easy axis direction) of the memory element in FIG. 1. A、B 図1の記憶素子の磁化困難軸方向の断面図である。FIGS. 2A and 2B are cross-sectional views in the hard axis direction of the memory element of FIG. A〜D テクスチャー構造の状態を説明する図である。It is a figure explaining the state of AD texture structure. 平均粗さRaと異方性磁界Hanとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between average roughness Ra and anisotropic magnetic field Han. 平均粗さRaと保磁力Hcとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between average roughness Ra and coercive force Hc. 平均粗さRaと熱安定性指標KV/kTとの関係を示す図である。It is a graph showing the relationship between the average roughness Ra and the thermal stability index KV / k B T. 平均粗さRaと飽和磁化量Msとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between average roughness Ra and the saturation magnetization amount Ms. スピン注入による磁化反転を利用したメモリの概略構成図(斜視図)である。It is a schematic block diagram (perspective view) of the memory using the magnetization reversal by spin injection. 図9のメモリの断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view of the memory of FIG. 9. 従来のMRAMの構成を模式的に示した斜視図である。It is the perspective view which showed the structure of the conventional MRAM typically.

符号の説明Explanation of symbols

3,42 記憶素子、11 下地層、11A,17A,41 テクスチャー構造、12 反強磁性層、13,15 強磁性層、14 非磁性層、16 絶縁層、17 記憶層、18 キャップ層、31 磁化固定層   3,42 Memory element, 11 Underlayer, 11A, 17A, 41 Texture structure, 12 Antiferromagnetic layer, 13,15 Ferromagnetic layer, 14 Nonmagnetic layer, 16 Insulating layer, 17 Memory layer, 18 Cap layer, 31 Magnetization Fixed layer

Claims (4)

情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有し、
前記記憶層に対して、中間層を介して磁化固定層が設けられ、
前記中間層が、絶縁体から成り、
積層方向にスピン偏極した電子を注入することにより、前記記憶層の磁化の向きが変化して、前記記憶層に対して情報の記録が行われ、
前記記憶層を構成する強磁性層の上面に、もしくは前記強磁性層よりも下層に、一軸異方性を持つテクスチャー構造が形成されている
ことを特徴とする記憶素子。
It has a storage layer that holds information according to the magnetization state of the magnetic material,
A magnetization fixed layer is provided via an intermediate layer for the storage layer,
The intermediate layer is made of an insulator;
By injecting spin-polarized electrons in the stacking direction, the magnetization direction of the storage layer changes, and information is recorded on the storage layer.
A memory element, wherein a texture structure having uniaxial anisotropy is formed on an upper surface of a ferromagnetic layer constituting the memory layer or on a lower layer than the ferromagnetic layer.
前記記憶層を構成する強磁性層の異方性磁界の大きさが50[Oe]以上であることを特徴とする請求項1に記載の記憶素子。   The memory element according to claim 1, wherein the magnitude of an anisotropic magnetic field of the ferromagnetic layer constituting the memory layer is 50 [Oe] or more. 前記テクスチャー構造の平均粗さRaが、1.1nm以上であることを特徴とする請求項1に記載の記憶素子。   The memory element according to claim 1, wherein an average roughness Ra of the texture structure is 1.1 nm or more. 情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有する記憶素子と、
互いに交差する2種類の配線を備え、
前記記憶素子は、前記記憶層に対して、中間層を介して磁化固定層が設けられ、前記中間層が絶縁体から成り、積層方向にスピン偏極した電子を注入することにより、前記記憶層の磁化の向きが変化して、前記記憶層に対して情報の記録が行われ、前記記憶層を構成する強磁性層の上面に、もしくは前記強磁性層よりも下層に、一軸異方性を持つテクスチャー構造が形成されている構成であり、
前記2種類の配線の交点付近かつ前記2種類の配線の間に、前記記憶素子が配置され、
前記2種類の配線を通じて、前記記憶素子に前記積層方向の電流が流れる
ことを特徴とするメモリ。
A storage element having a storage layer for retaining information by the magnetization state of the magnetic material;
Two types of wiring crossing each other,
The storage element is provided with a magnetization fixed layer via an intermediate layer with respect to the storage layer, the intermediate layer is made of an insulator, and the storage layer is injected with spin-polarized electrons. The direction of magnetization of the recording layer is changed, information is recorded on the storage layer, and uniaxial anisotropy is formed on the upper surface of the ferromagnetic layer constituting the storage layer or on the lower layer than the ferromagnetic layer. It is a configuration in which the texture structure is formed,
The storage element is disposed near the intersection of the two types of wiring and between the two types of wiring,
A memory in which a current in the stacking direction flows in the memory element through the two types of wirings.
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