JP2008147488A - Magnetoresistance effect element, and mram - Google Patents

Magnetoresistance effect element, and mram Download PDF

Info

Publication number
JP2008147488A
JP2008147488A JP2006334258A JP2006334258A JP2008147488A JP 2008147488 A JP2008147488 A JP 2008147488A JP 2006334258 A JP2006334258 A JP 2006334258A JP 2006334258 A JP2006334258 A JP 2006334258A JP 2008147488 A JP2008147488 A JP 2008147488A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
magnetization
layer
free layer
magnetization free
magnetization fixed
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP2006334258A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Shunsuke Fukami
俊輔 深見
Naoki Kasai
直記 笠井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NEC Corp filed Critical NEC Corp
Priority to JP2006334258A priority Critical patent/JP2008147488A/en
Publication of JP2008147488A publication Critical patent/JP2008147488A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G11INFORMATION STORAGE
    • G11CSTATIC STORES
    • G11C19/00Digital stores in which the information is moved stepwise, e.g. shift registers
    • G11C19/02Digital stores in which the information is moved stepwise, e.g. shift registers using magnetic elements
    • G11C19/08Digital stores in which the information is moved stepwise, e.g. shift registers using magnetic elements using thin films in plane structure
    • G11C19/0808Digital stores in which the information is moved stepwise, e.g. shift registers using magnetic elements using thin films in plane structure using magnetic domain propagation

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce an area of a magnetoresistance effect element based on a magnetic wall movement method. <P>SOLUTION: The magnetoresistance effect element includes at least two first magnetization fixed layers 1a, 1b whose direction of magnetization is fixed, a magnetization free layer 2 whose direction of magnetization formed on a XY plane is variable, and a second magnetization fixed layer 4 which is connected to the magnetization free layer 2 through a non-magnetic layer 3. The two first magnetization fixed layers 1a, 1b are located opposite to the second magnetization fixed layer 4 sandwiching the magnetization free layer 2 and are magnetically joined with the magnetization free layer 2. Both the first magnetization fixed layers 1a, 1b have a component of the Z direction orthogonal to the XY plane. When data-writing, the writing current flows from one end of the magnetization free layer 2 to the other end in the XY plane. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子、及び磁気抵抗効果素子をメモリセルとして用いる磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM: Magnetic Random Access Memory)に関する。特に、本発明は、磁壁移動方式に基づくMRAM、及びそのMRAMで用いられる磁気抵抗効果素子に関する。   The present invention relates to a magnetoresistive effect element and a magnetic random access memory (MRAM) using the magnetoresistive effect element as a memory cell. In particular, the present invention relates to an MRAM based on a domain wall motion method and a magnetoresistive effect element used in the MRAM.

MRAMは、高集積・高速動作の観点から有望な不揮発性メモリである。MRAMにおいては、TMR(Tunnel MagnetoResistance)効果などの磁気抵抗効果を示す「磁気抵抗効果素子」が、メモリセルとして利用される。その磁気抵抗効果素子には、例えばトンネルバリヤ層が2層の強磁性体層で挟まれた磁気トンネル接合(MTJ: Magnetic Tunnel Junction)が形成される。その2層の強磁性体層は、磁化の向きが固定された磁化固定層(ピン層:pinned layer)と、磁化の向きが反転可能な磁化自由層(フリー層:free layer)から構成される。   MRAM is a promising nonvolatile memory from the viewpoint of high integration and high-speed operation. In the MRAM, a “magnetoresistance effect element” showing a magnetoresistance effect such as a TMR (Tunnel MagnetoResistance) effect is used as a memory cell. In the magnetoresistive effect element, for example, a magnetic tunnel junction (MTJ: Magnetic Tunnel Junction) in which a tunnel barrier layer is sandwiched between two ferromagnetic layers is formed. The two ferromagnetic layers are composed of a magnetization pinned layer (pinned layer) whose magnetization direction is fixed and a magnetization free layer (free layer) whose magnetization direction can be reversed. .

磁化固定層と磁化自由層の磁化の向きが“反平行”である場合のMTJの抵抗値(R+ΔR)は、磁気抵抗効果により、それらが“平行”である場合の抵抗値(R)よりも大きくなることが知られている。室温でのMR比(=ΔR/R)は、数10〜数100%になる。MRAMのメモリセルは、その抵抗値の変化を利用することによってデータを不揮発的に記憶する。データの読み出しは、MTJを貫通するように読み出し電流を流し、MTJの抵抗値を測定することにより行なわれる。一方、データの書き込みは、磁化自由層の磁化の向きを反転させることによって行われる。   The resistance value (R + ΔR) of the MTJ when the magnetization direction of the magnetization fixed layer and the magnetization free layer is “antiparallel” is larger than the resistance value (R) when they are “parallel” due to the magnetoresistance effect. It is known to grow. The MR ratio (= ΔR / R) at room temperature is several 10 to several 100%. The memory cell of the MRAM stores data in a nonvolatile manner by utilizing the change in resistance value. Data is read by passing a read current through the MTJ and measuring the resistance value of the MTJ. On the other hand, data is written by reversing the magnetization direction of the magnetization free layer.

代表的なデータ書き込み方式として、「電流磁界方式」が知られている。電流磁界方式によれば、磁気抵抗効果素子の近傍に配置された書き込み配線に書き込み電流が流される。そして、その書き込み電流により発生する書き込み磁界が磁化自由層に印加され、それにより磁化自由層の磁化の向きが変化させられる。この時、1mAの書き込み電流により発生する磁界は、数Oe〜十数Oe程度である。一方、熱擾乱(ディスターバンス)による記憶データの書き換えを防止するためには、磁化自由層の磁化反転に必要な反転磁界は、数十Oe程度に設計されることが望ましい。従って、1mA以下の書き込み電流でデータ書き込みを実現することは非常に難しい。この点において、電流磁界方式のMRAMは、他のRAMよりも不利である。更に、磁気抵抗効果素子のサイズにほぼ反比例して、磁化自由層の磁化反転に必要な反転磁界は大きくなる。つまり、メモリセルが微細化されるにつれて、書き込み電流が増加してしまうという問題点がある。   As a typical data writing method, a “current magnetic field method” is known. According to the current magnetic field method, a write current is caused to flow through the write wiring arranged in the vicinity of the magnetoresistive effect element. A write magnetic field generated by the write current is applied to the magnetization free layer, thereby changing the magnetization direction of the magnetization free layer. At this time, the magnetic field generated by the write current of 1 mA is about several Oe to several tens Oe. On the other hand, in order to prevent rewriting of stored data due to thermal disturbance (disturbance), it is desirable that the reversal magnetic field necessary for the magnetization reversal of the magnetization free layer is designed to be about several tens Oe. Therefore, it is very difficult to realize data writing with a write current of 1 mA or less. In this respect, the current magnetic field type MRAM is disadvantageous than other RAMs. Furthermore, the reversal magnetic field required for the magnetization reversal of the magnetization free layer becomes substantially inversely proportional to the size of the magnetoresistive effect element. That is, there is a problem that the write current increases as the memory cell is miniaturized.

特許文献1(特開2005−150303号公報)には、電流磁界方式のMRAMに関して、熱擾乱耐性を向上させ、且つ、反転磁界を低減することを目的とした技術が記載されている。当該従来技術に係る磁気抵抗効果素子は、第1の強磁性層/トンネルバリヤ層/第2の強磁性層の3層構造を含む強磁性トンネル接合を有する。第1の強磁性層は、第2の強磁性層よりも保磁力が大きい。更に、第2の強磁性層の端部の磁化が、第2の強磁性層の磁化容易軸方向と直交する成分を持つ方向に固着されている。   Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-150303) describes a technique for improving the resistance to thermal disturbance and reducing the reversal magnetic field in the current magnetic field type MRAM. The magnetoresistive effect element according to the prior art has a ferromagnetic tunnel junction including a three-layer structure of a first ferromagnetic layer / tunnel barrier layer / second ferromagnetic layer. The first ferromagnetic layer has a larger coercive force than the second ferromagnetic layer. Further, the magnetization of the end portion of the second ferromagnetic layer is fixed in a direction having a component orthogonal to the magnetization easy axis direction of the second ferromagnetic layer.

最近、電流磁界方式に代わるデータ書き込み方式として、スピン注入(spin transfer)を利用した「スピン注入方式」が提案されている(例えば、非特許文献1、特許文献2参照)。スピン注入方式によれば、磁化自由層にスピン偏極電流(spin-polarized current)が注入され、その電流を担う伝導電子のスピンと導体の磁気モーメントとの間の直接相互作用によって磁化が反転する。その磁化反転は電流密度が大きいほど起こりやすくなるため、メモリセルサイズが縮小されるにつれ、書き込み電流を低減させることが可能となる。   Recently, a “spin injection method” using spin transfer has been proposed as a data writing method instead of the current magnetic field method (see, for example, Non-Patent Document 1 and Patent Document 2). According to the spin injection method, a spin-polarized current is injected into the magnetization free layer, and the magnetization is reversed by a direct interaction between the spin of the conduction electron carrying the current and the magnetic moment of the conductor. . Since the magnetization reversal is more likely to occur as the current density increases, the write current can be reduced as the memory cell size is reduced.

非特許文献1(M. Hosomi et al.)に記載されたスピン注入方式によれば、MTJを貫通するように書き込み電流が流される。つまり、当該従来技術に係るスピン注入方式は、所謂CPP(Current Perpendicular to Plane)方式により実現されており、以下「垂直スピン注入方式」と参照される。垂直スピン注入方式では、磁化固定層と同じスピン状態を有するスピン偏極電子が、磁化固定層から磁化自由層へ供給される、あるいは、磁化自由層から磁化固定層に引き抜かれる。その結果、スピントランスファー効果により、磁化自由層の磁化が反転する。このように、MTJを貫通する書き込み電流の方向により、磁化自由層の磁化方向を規定することができる。更に、メモリセルの微細化に伴い、書き込み電流を小さくすることも可能である。   According to the spin injection method described in Non-Patent Document 1 (M. Hosomi et al.), A write current is passed through the MTJ. That is, the spin injection method according to the related art is realized by a so-called CPP (Current Perpendicular to Plane) method, and is hereinafter referred to as a “vertical spin injection method”. In the vertical spin injection method, spin-polarized electrons having the same spin state as the magnetization fixed layer are supplied from the magnetization fixed layer to the magnetization free layer, or are extracted from the magnetization free layer to the magnetization fixed layer. As a result, the magnetization of the magnetization free layer is reversed by the spin transfer effect. Thus, the magnetization direction of the magnetization free layer can be defined by the direction of the write current passing through the MTJ. Further, the write current can be reduced with the miniaturization of the memory cell.

但し、垂直スピン注入方式では、読み出し電流より大きい書き込み電流がMTJを貫通するため、次のような問題が生ずると考えられる。MTJのトンネルバリヤ層としては一般的には絶縁膜が用いられ、その絶縁膜の耐圧の限界から書き込み電流の上限値が決まってしまう。このことは、書き込みの観点から好ましくない。一方で、その上限値を増加させるためにトンネルバリヤ層の抵抗値を低くすると、読み出し信号が小さくなってしまう。このことは、読み出しの観点から好ましくない。すなわち、書き込みは、磁化反転が起こる電流以上、読み出しの制約を満たす絶縁膜の耐圧以下というマージン内で行わなければならず、これは大容量化には不利である。更に、書き込み動作のたびに絶縁膜に書き込み電流を流すことは、素子の耐久性の観点からも好ましくない。   However, in the vertical spin injection method, since a write current larger than the read current penetrates the MTJ, it is considered that the following problem occurs. An insulating film is generally used as the MTJ tunnel barrier layer, and the upper limit value of the write current is determined from the limit of the withstand voltage of the insulating film. This is not preferable from the viewpoint of writing. On the other hand, if the resistance value of the tunnel barrier layer is lowered in order to increase the upper limit value, the read signal becomes small. This is not preferable from the viewpoint of reading. That is, writing must be performed within a margin that is greater than the current at which magnetization reversal occurs and less than the withstand voltage of the insulating film that satisfies the read constraint, which is disadvantageous for increasing the capacity. Furthermore, it is not preferable from the viewpoint of the durability of the device to cause a write current to flow through the insulating film every time a write operation is performed.

一方、特許文献2(特開2005−191032号公報)に記載されたスピン注入方式によれば、書き込み電流はMTJを貫通せず、磁化自由層内で平面的に流される。このようなスピン注入方式は、以下「水平スピン注入方式」と参照される。より詳細には、当該従来技術に係る磁化自由層は、トンネルバリヤ層と重なる接合部、接合部の両端に隣接するくびれ部、及びくびれ部に隣接形成された一対の磁化固定部を有する。一対の磁化固定部には、互いに反対向きの固定磁化が付与されている。その結果、磁化自由層は、上記接合部内に磁壁(Domain Wall)を有することになる。   On the other hand, according to the spin injection method described in Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-191032), the write current does not penetrate the MTJ and flows in a plane in the magnetization free layer. Such a spin injection method is hereinafter referred to as a “horizontal spin injection method”. More specifically, the magnetization free layer according to the related art has a junction overlapping the tunnel barrier layer, a constriction adjacent to both ends of the junction, and a pair of magnetization fixed portions formed adjacent to the constriction. The pair of magnetization fixed portions are provided with fixed magnetizations in opposite directions. As a result, the magnetization free layer has a domain wall in the junction.

このように構成された磁化自由層内で、書き込み電流が平面的に流される。この時、一対の磁化固定部は、異なるスピン偏極電子の供給源としての役割を果たす。書き込み電流の方向は書き込みデータに応じて制御され、その方向に応じて、いずれかの磁化固定部から接合部にスピン偏極電子が供給される。その結果、スピントランスファー効果により、磁化自由層の磁化が反転する。この磁化反転は、上述の磁壁の位置の変化を意味する。すなわち、書き込み電流の方向に応じて、磁壁が一対のくびれ部間を移動する。その意味で、特許文献2に記載されたような水平スピン注入方式を、「磁壁移動方式」と呼ぶこともできる。   A write current flows in a plane in the magnetization free layer configured as described above. At this time, the pair of magnetization fixed portions serves as a supply source of different spin-polarized electrons. The direction of the write current is controlled according to the write data, and spin-polarized electrons are supplied from one of the magnetization fixed portions to the junction according to the direction. As a result, the magnetization of the magnetization free layer is reversed by the spin transfer effect. This magnetization reversal means the change of the position of the above-mentioned domain wall. That is, the domain wall moves between the pair of constricted portions according to the direction of the write current. In that sense, the horizontal spin injection method described in Patent Document 2 can also be referred to as a “domain wall motion method”.

このような電流駆動磁壁移動(Current-Driven Domain Wall Motion)は、強磁性体細線中で実際に観測されている(非特許文献2参照)。磁壁を有する幅数十ナノメートル〜数マイクロメートルの磁性細線に磁壁を横切るような電流が流れたとき、伝導電子の持つスピン磁気モーメントによって磁壁が動かされる。磁壁移動に必要な電流値も、素子の微細化に伴い小さくなる。従って、磁壁移動を利用した水平スピン注入方式(磁壁移動方式)は、大容量・低電流動作MRAMを実現するために非常に重要な技術である。   Such current-driven domain wall motion is actually observed in a ferromagnetic thin wire (see Non-Patent Document 2). When a current that crosses the domain wall flows through a magnetic wire having a domain wall with a width of several tens of nanometers to several micrometers, the domain wall is moved by the spin magnetic moment of the conduction electrons. The current value required for the domain wall movement also decreases with the miniaturization of the element. Therefore, the horizontal spin injection method (domain wall motion method) using domain wall motion is a very important technique for realizing a large capacity and low current operation MRAM.

特開2005−150303号公報JP 2005-150303 A 特開2005−191032号公報JP 2005-191032 A M. Hosomi et al., "A Novel Nonvolatile Memory with Spin Torque Transfer Magnetization Switching: Spin-RAM", International Electron Devices Meeting (IEDM), Technical Digest, pp.459-562, 2005.M. Hosomi et al., "A Novel Nonvolatile Memory with Spin Torque Transfer Magnetization Switching: Spin-RAM", International Electron Devices Meeting (IEDM), Technical Digest, pp.459-562, 2005. Yamaguchi et. al., "Real-Space Observation of Current-Driven Domain Wall Motion in Submicron Magnetic Wires", PRL, vol. 92, pp. 077205-1, 2004.Yamaguchi et. Al., "Real-Space Observation of Current-Driven Domain Wall Motion in Submicron Magnetic Wires", PRL, vol. 92, pp. 077205-1, 2004.

本願発明者は、次の点に着目した。特許文献2に記載された技術によれば、磁化自由層は、磁化方向が可変な接合部の両側に一対の磁化固定部を有している。それら一対の磁化固定部は、異なるスピン偏極電子の導入源であり、互いに反対向きの固定磁化が付与されている。そして、それら接合部と一対の磁化固定部は、同一の磁性層内に直線状に配置されている。同一の磁性層内に、磁化方向が可変な領域に加えて一対の磁化固定部を設けることは、次のような問題点を生じさせる。   The inventor of the present application paid attention to the following points. According to the technique described in Patent Document 2, the magnetization free layer has a pair of magnetization fixed portions on both sides of the junction portion in which the magnetization direction is variable. The pair of magnetization fixed portions are introduction sources of different spin-polarized electrons, and are provided with fixed magnetizations in opposite directions. And these junction part and a pair of magnetization fixed part are arrange | positioned linearly in the same magnetic layer. Providing a pair of magnetization fixed portions in addition to a region having a variable magnetization direction in the same magnetic layer causes the following problems.

まず、同一の磁性層内において、一対の磁化固定部の磁化を、互いに反対向きに固定する必要がある。このことは、複雑な製造プロセスを必要としてしまう。また、磁化方向が可変な領域と磁化方向が固定された領域とでは、求められる磁気特性も異なってくる。しかしながら、それら領域が同一の磁性層内に存在する場合、領域ごとに磁気特性を調整することが困難である。すなわち、設計の自由度が悪い。更に、磁化固定部の固定磁化を安定的に維持するためには、磁化固定部をある程度大きく設計する必要がある。このことは、メモリセルの面積の増大を招く。   First, in the same magnetic layer, it is necessary to fix the magnetizations of the pair of magnetization fixed portions in opposite directions. This requires a complicated manufacturing process. Further, the required magnetic characteristics are different between a region in which the magnetization direction is variable and a region in which the magnetization direction is fixed. However, when these regions exist in the same magnetic layer, it is difficult to adjust the magnetic characteristics for each region. That is, the degree of freedom in design is poor. Furthermore, in order to stably maintain the fixed magnetization of the magnetization fixed part, it is necessary to design the magnetization fixed part to be somewhat large. This leads to an increase in the area of the memory cell.

本発明の目的は、磁壁移動方式に基づく新たな磁気抵抗効果素子及びMRAMを提供することにある。   An object of the present invention is to provide a new magnetoresistive element and MRAM based on a domain wall motion method.

本発明の他の目的は、磁気抵抗効果素子の設計の自由度を向上させることができる技術を提供することにある。   Another object of the present invention is to provide a technique capable of improving the degree of freedom in designing a magnetoresistive effect element.

本発明の更に他の目的は、磁気抵抗効果素子の面積を縮小し、大容量MRAMを実現することができる技術を提供することにある。   Still another object of the present invention is to provide a technique capable of reducing the area of a magnetoresistive effect element and realizing a large-capacity MRAM.

本発明の更に他の目的は、磁化固定層の磁化の向きを容易に固定することができる磁気抵抗効果素子及びMRAMを提供することにある。   Still another object of the present invention is to provide a magnetoresistive effect element and an MRAM that can easily fix the magnetization direction of a magnetization fixed layer.

以下に、[発明を実施するための最良の形態]で使用される番号・符号を用いて、[課題を解決するための手段]を説明する。これらの番号・符号は、[特許請求の範囲]の記載と[発明を実施するための最良の形態]との対応関係を明らかにするために括弧付きで付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、[特許請求の範囲]に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。   [Means for Solving the Problems] will be described below using the numbers and symbols used in [Best Mode for Carrying Out the Invention]. These numbers and symbols are added in parentheses in order to clarify the correspondence between the description of [Claims] and [Best Mode for Carrying Out the Invention]. However, these numbers and symbols should not be used for the interpretation of the technical scope of the invention described in [Claims].

本発明の第1の観点において、磁壁移動方式に基づく磁気抵抗効果素子が提供される。その磁気抵抗効果素子は、磁化の向きが固定された少なくとも2つの第1磁化固定層(1a,1b)と、第1平面(XY)上に形成され磁化の向きが可変な磁化自由層(2)と、非磁性層(3)を介して磁化自由層(2)に接続された第2磁化固定層(4)とを備える。2つの第1磁化固定層(1a,1b)は、磁化自由層(2)を挟んで第2磁化固定層(4)と対向するように配置され、また、磁化自由層(2)と磁気的に結合している。2つの第1磁化固定層(1a,1b)の磁化は共に、第1平面(XY)に直角な第1方向(Z)の成分を有する。データ書き込み時、書き込み電流が、第1平面(XY)内において、磁化自由層(2)の一端から他端に流される。   In a first aspect of the present invention, a magnetoresistive effect element based on a domain wall motion system is provided. The magnetoresistive element includes at least two first magnetization fixed layers (1a, 1b) whose magnetization directions are fixed, and a magnetization free layer (2) formed on the first plane (XY) and having a variable magnetization direction. ) And a second magnetization fixed layer (4) connected to the magnetization free layer (2) through the nonmagnetic layer (3). The two first magnetization fixed layers (1a, 1b) are arranged so as to face the second magnetization fixed layer (4) with the magnetization free layer (2) interposed therebetween, and are magnetically coupled to the magnetization free layer (2). Is bound to. The magnetizations of the two first magnetization fixed layers (1a, 1b) both have a component in the first direction (Z) perpendicular to the first plane (XY). At the time of data writing, a write current flows from one end of the magnetization free layer (2) to the other end in the first plane (XY).

本発明の第2の観点において、磁壁移動方式に基づくMRAM(100)が提供される。そのMRAM(100)は、アレイ状に配置された複数の磁気メモリセル(110)を具備する。複数の磁気メモリセル(110)の各々は、上記磁気抵抗効果素子と、データ書き込み時、書き込み電流を磁化自由層(2)に供給するためのトランジスタ(10a,10b)とを備える。   In a second aspect of the present invention, an MRAM (100) based on a domain wall motion method is provided. The MRAM (100) includes a plurality of magnetic memory cells (110) arranged in an array. Each of the plurality of magnetic memory cells (110) includes the magnetoresistive effect element and transistors (10a, 10b) for supplying a write current to the magnetization free layer (2) when data is written.

本発明によれば、第1磁化固定層と磁化自由層は、同一平面上に形成されておらず、立体的に配置されている。その結果、磁気抵抗効果素子の設計の自由度が向上する。また、磁気抵抗効果素子の面積が縮小される。更に、第1磁化固定層の磁化の向きを容易に固定することが可能となる。   According to the present invention, the first magnetization fixed layer and the magnetization free layer are not formed on the same plane but are arranged three-dimensionally. As a result, the degree of freedom in designing the magnetoresistive element is improved. In addition, the area of the magnetoresistive effect element is reduced. Furthermore, the magnetization direction of the first magnetization fixed layer can be easily fixed.

添付図面を参照して、本発明の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子及びMRAMを説明する。   A magnetoresistive effect element and an MRAM according to an exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

1.第1の実施の形態
1−1.基本構造
図1A及び図1Bは、第1の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の構造を概略的に示す側面図及び平面図である。磁気抵抗効果素子は、第1磁化固定層1a、1b、磁化自由層2、トンネルバリヤ層3、及び第2磁化固定層4を備えている。磁化自由層2、トンネルバリヤ層3、及び第2磁化固定層4は、順番に積層されている。図1A及び図1Bにおいて、その積層方向が「Z方向」として定義されている。つまり、各層の主面に直角な方向がZ方向である。各層は、Z方向に直角なXY面上に形成されている。
1. 1. First embodiment 1-1. Basic Structure FIGS. 1A and 1B are a side view and a plan view schematically showing the structure of the magnetoresistive effect element according to the first embodiment. The magnetoresistive effect element includes first magnetization fixed layers 1 a and 1 b, a magnetization free layer 2, a tunnel barrier layer 3, and a second magnetization fixed layer 4. The magnetization free layer 2, the tunnel barrier layer 3, and the second magnetization fixed layer 4 are laminated in order. In FIGS. 1A and 1B, the stacking direction is defined as the “Z direction”. That is, the direction perpendicular to the main surface of each layer is the Z direction. Each layer is formed on an XY plane perpendicular to the Z direction.

磁化自由層(フリー層)2は、強磁性層を含んでおり、その磁化の向きは可変である。図1Bに示されるように、磁化自由層2はXY面上に形成されており、その長手方向はX方向である。つまり、磁化自由層2の磁化容易軸はX方向に一致しており、磁化自由層2の磁化は+X方向あるいは−X方向になることが許される。   The magnetization free layer (free layer) 2 includes a ferromagnetic layer, and its magnetization direction is variable. As shown in FIG. 1B, the magnetization free layer 2 is formed on the XY plane, and its longitudinal direction is the X direction. That is, the magnetization easy axis of the magnetization free layer 2 coincides with the X direction, and the magnetization of the magnetization free layer 2 is allowed to be in the + X direction or the −X direction.

トンネルバリヤ層3は、非磁性層である。例えば、トンネルバリヤ層3は、絶縁膜で形成されている。このトンネルバリヤ層3は、磁化自由層2と第2磁化固定層4に挟まれている。図1Bにおいて、トンネルバリヤ層3は、磁化自由層2と同じ幅を有しているが、第2磁化固定層4と同じ幅を有していてもよい。あるいは、トンネルバリヤ層3の幅は、第2磁化固定層4と同じ幅から磁化自由層2と同じ幅に途中で変化していてもよい。   The tunnel barrier layer 3 is a nonmagnetic layer. For example, the tunnel barrier layer 3 is formed of an insulating film. The tunnel barrier layer 3 is sandwiched between the magnetization free layer 2 and the second magnetization fixed layer 4. In FIG. 1B, the tunnel barrier layer 3 has the same width as the magnetization free layer 2, but may have the same width as the second magnetization fixed layer 4. Alternatively, the width of the tunnel barrier layer 3 may change midway from the same width as the second magnetization fixed layer 4 to the same width as the magnetization free layer 2.

第2磁化固定層(ピン層)4は、トンネルバリヤ層3に接触する強磁性層を含んでおり、その磁化の向きは、図示されない反強磁性層等によって面内の一方向に固定されている。例えば図1Aにおいて、トンネルバリヤ層3に接触する第2磁化固定層4の磁化の向きは、+X方向に固定されている。尚、第2磁化固定層4は、複数の強磁性層が非磁性層を介して磁気的に結合した積層構造を有していてもよい。その場合、例えば、隣接する強磁性層同士は非磁性層を介して反強磁性的に結合している。これにより、第2磁化固定層4からの漏れ磁界が低減され、また、固定磁化もより強固となる。   The second magnetization fixed layer (pinned layer) 4 includes a ferromagnetic layer in contact with the tunnel barrier layer 3, and the magnetization direction is fixed in one direction in the plane by an antiferromagnetic layer (not shown). Yes. For example, in FIG. 1A, the magnetization direction of the second magnetization fixed layer 4 in contact with the tunnel barrier layer 3 is fixed in the + X direction. The second magnetization fixed layer 4 may have a laminated structure in which a plurality of ferromagnetic layers are magnetically coupled via a nonmagnetic layer. In that case, for example, adjacent ferromagnetic layers are antiferromagnetically coupled via a nonmagnetic layer. Thereby, the leakage magnetic field from the second magnetization fixed layer 4 is reduced, and the fixed magnetization is further strengthened.

このように、磁化自由層2及び第2磁化固定層4は、トンネルバリヤ層3を介して接続されている。それら磁化自由層2、トンネルバリヤ層3、及び第2磁化固定層4によって、MTJが形成されている。   Thus, the magnetization free layer 2 and the second magnetization fixed layer 4 are connected via the tunnel barrier layer 3. The MTJ is formed by the magnetization free layer 2, the tunnel barrier layer 3, and the second magnetization fixed layer 4.

更に、本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子は、MTJを構成する第2磁化固定層4とは別に、第1磁化固定層1a、1bを備えている。第1磁化固定層1a、1bは、磁化自由層2を挟んで、第2磁化固定層4と対向するように配置されている。より詳細には、図1Bに示されるように、第1磁化固定層1aは磁化自由層2の一端の側に配置されており、第1磁化固定層1bは磁化自由層2の他端の側に配置されている。特に、本実施の形態によれば、図1Aに示されるように、第1磁化固定層1aは磁化自由層2の一端に接続されており、第1磁化固定層1bは磁化自由層2の他端に接続されている。第1磁化固定層1a、1bの長手方向(磁化容易軸)は、XY面に直角なZ方向であり、それらはZ方向に形状磁気異方性を有している。   Further, the magnetoresistive effect element according to the present embodiment includes first magnetization fixed layers 1a and 1b separately from the second magnetization fixed layer 4 constituting the MTJ. The first magnetization fixed layers 1a and 1b are disposed so as to face the second magnetization fixed layer 4 with the magnetization free layer 2 interposed therebetween. More specifically, as shown in FIG. 1B, the first magnetization fixed layer 1 a is disposed on one end side of the magnetization free layer 2, and the first magnetization fixed layer 1 b is on the other end side of the magnetization free layer 2. Is arranged. In particular, according to the present embodiment, as shown in FIG. 1A, the first magnetization fixed layer 1 a is connected to one end of the magnetization free layer 2, and the first magnetization fixed layer 1 b Connected to the end. The longitudinal direction (easy magnetization axis) of the first magnetization fixed layers 1a and 1b is the Z direction perpendicular to the XY plane, and they have shape magnetic anisotropy in the Z direction.

第1磁化固定層1a、1bは強磁性層であり、磁化自由層2と磁気的に結合している。第1磁化固定層1a、1bの磁化の向きは、一方向に固定されている。具体的には、第1磁化固定層1a、1bは、その固定磁化が少なくともZ方向の成分を有するように形成される。例えば、図1Aに示されるように、第1磁化固定層1a、1bの磁化の向きは、同じ+Z方向に固定されている。あるいは、第1磁化固定層1a、1bの磁化の向きは、同じ−Z方向に固定されていてもよい。つまり、第1磁化固定層1a、1bの磁化は、共に、磁化自由層2に向かう方向、あるいは、磁化自由層2から離れる方向に固定されている。磁化の固定は、形状磁気異方性や結晶磁気異方性、ピニング層の配置などにより実現される。これら第1磁化固定層1a、1bの固定磁化は、磁化自由層2の端部周辺の磁化に対して磁気的に影響を及ぼす。   The first magnetization fixed layers 1 a and 1 b are ferromagnetic layers and are magnetically coupled to the magnetization free layer 2. The magnetization directions of the first magnetization fixed layers 1a and 1b are fixed in one direction. Specifically, the first magnetization fixed layers 1a and 1b are formed such that the fixed magnetization has at least a component in the Z direction. For example, as shown in FIG. 1A, the magnetization directions of the first magnetization fixed layers 1a and 1b are fixed to the same + Z direction. Alternatively, the magnetization directions of the first magnetization fixed layers 1a and 1b may be fixed in the same −Z direction. That is, the magnetizations of the first magnetization fixed layers 1 a and 1 b are both fixed in the direction toward the magnetization free layer 2 or in the direction away from the magnetization free layer 2. The magnetization is fixed by shape magnetic anisotropy, crystal magnetic anisotropy, pinning layer arrangement, and the like. The fixed magnetization of the first magnetization fixed layers 1 a and 1 b magnetically affects the magnetization around the end of the magnetization free layer 2.

1−2.動作原理
図2は、本実施の形態に係る磁化自由層2が取り得る2種類の磁化状態を示している。磁化自由層2の磁化の向きが−X方向である場合、つまり、その向きが第2磁化固定層4の磁化の向き(+X方向)と反平行である場合、MTJの抵抗値は比較的大きい。この反平行状態が、例えばデータ“1”に対応付けられている。一方、磁化自由層2の磁化の向きが+X方向である場合、つまり、その向きが第2磁化固定層4の磁化の向き(+X方向)と平行である場合、MTJの抵抗値は比較的小さい。この平行状態が、例えばデータ“0”に対応付けられている。
1-2. Principle of Operation FIG. 2 shows two types of magnetization states that the magnetization free layer 2 according to the present embodiment can take. When the magnetization direction of the magnetization free layer 2 is the -X direction, that is, when the direction is antiparallel to the magnetization direction (+ X direction) of the second magnetization fixed layer 4, the MTJ resistance value is relatively large. . This antiparallel state is associated with, for example, data “1”. On the other hand, when the magnetization direction of the magnetization free layer 2 is the + X direction, that is, when the direction is parallel to the magnetization direction (+ X direction) of the second magnetization fixed layer 4, the resistance value of the MTJ is relatively small. . This parallel state is associated with, for example, data “0”.

データ“1”の場合、磁化自由層2の磁化(−X方向)は、第1磁化固定層1bから連続的につながる。他方の第1磁化固定層1aの磁化が磁化自由層2へ向かう方向に固定されているため、図2に示されるように、磁壁DWが、第1磁化固定層1a近傍の磁化自由層2中に存在することになる。一方、データ“0”の場合、磁化自由層2の磁化(+X方向)は、第1磁化固定層1aから連続的につながる。他方の第1磁化固定層1bの磁化が磁化自由層2へ向かう方向に固定されているため、図2に示されるように、磁壁DWが、第1磁化固定層1b近傍の磁化自由層2中に存在することになる。このように、第1磁化固定層1a、1bが設けられることにより、磁化自由層2内に磁壁DWが導入される。そして、その磁壁DWの位置によって、データ“1”と“0”が区別され得る。尚、それら2つの状態は、エネルギー的には等価である。   In the case of data “1”, the magnetization (−X direction) of the magnetization free layer 2 is continuously connected from the first magnetization fixed layer 1b. Since the magnetization of the other first magnetization fixed layer 1a is fixed in the direction toward the magnetization free layer 2, as shown in FIG. 2, the domain wall DW is in the magnetization free layer 2 in the vicinity of the first magnetization fixed layer 1a. Will exist. On the other hand, in the case of data “0”, the magnetization (+ X direction) of the magnetization free layer 2 is continuously connected from the first magnetization fixed layer 1a. Since the magnetization of the other first magnetization fixed layer 1b is fixed in the direction toward the magnetization free layer 2, as shown in FIG. 2, the domain wall DW is in the magnetization free layer 2 near the first magnetization fixed layer 1b. Will exist. As described above, the domain wall DW is introduced into the magnetization free layer 2 by providing the first magnetization fixed layers 1 a and 1 b. The data “1” and “0” can be distinguished by the position of the domain wall DW. Note that these two states are equivalent in terms of energy.

図3は、第1磁化固定層1aと磁化自由層2との接続領域近傍の磁気モーメントの分布を示している。上述の通り、磁壁DWが、第1磁化固定層1a近傍の磁化自由層2中に存在している。尚、Head−to−Head型の磁壁DWが例として示されているが、磁壁DWはTail−to−Tail型であってもよい。また、磁壁DW中の磁気モーメントがZ軸成分を有するTransverse型が示されているが、磁壁DW中の磁気モーメントはY軸成分を有していてもよい。あるいは、Transverse型の磁壁ではなく、Voltex型の磁壁が形成されていてもよい。   FIG. 3 shows a magnetic moment distribution in the vicinity of the connection region between the first magnetization fixed layer 1a and the magnetization free layer 2. As shown in FIG. As described above, the domain wall DW exists in the magnetization free layer 2 in the vicinity of the first magnetization fixed layer 1a. Although a head-to-head type domain wall DW is shown as an example, the domain wall DW may be a tail-to-tail type. Further, although the Transverse type in which the magnetic moment in the domain wall DW has a Z-axis component is shown, the magnetic moment in the domain wall DW may have a Y-axis component. Alternatively, a Voltex-type domain wall may be formed instead of the Transverse-type domain wall.

図3に示されるように、第1磁化固定層1aの磁化は、磁化自由層2の端部の磁化に影響を及ぼしており、磁化自由層2の端部の磁化は、概ね+Z方向を向いている。この時、第1磁化固定層1aの固定磁化により生成されるダイポール磁場BTは、図3の破線で表されるように分布している。従って、第1磁化固定層1aの端部の磁化MAや、その直上の磁化自由層2の磁化MBは、+X方向の成分を有することになる。逆に、磁化自由層2の最端部の磁化MCは、−X方向の成分を有することになる。これら磁化MA、MB、MCの方向は、第1磁化固定層1aと磁化自由層2の形状、大小関係、位置関係等によっても影響されるが、基本的な傾向は同じである。   As shown in FIG. 3, the magnetization of the first magnetization fixed layer 1a affects the magnetization of the end portion of the magnetization free layer 2, and the magnetization of the end portion of the magnetization free layer 2 is generally directed in the + Z direction. ing. At this time, the dipole magnetic field BT generated by the fixed magnetization of the first magnetization fixed layer 1a is distributed as shown by the broken line in FIG. Therefore, the magnetization MA of the end portion of the first magnetization fixed layer 1a and the magnetization MB of the magnetization free layer 2 immediately above it have a component in the + X direction. Conversely, the magnetization MC at the extreme end of the magnetization free layer 2 has a component in the −X direction. The directions of these magnetizations MA, MB, and MC are affected by the shapes, magnitude relationships, positional relationships, and the like of the first magnetization fixed layer 1a and the magnetization free layer 2, but the basic tendency is the same.

このように、第1磁化固定層1aの磁化が、磁化自由層2の一端の磁化に対して少なくとも+X方向の磁気力を与える結果、+X方向の成分を有する磁化MA、MBが発生する。後述されるように、これら磁化MA、MBが、+X方向の磁気モーメントを有する電子(+X方向スピン偏極電子)の供給において重要な役割を果たす。他方の第1磁化固定層1bに関しても、同様の議論が適用され得る。第1磁化固定層1bの磁化が、磁化自由層2の他端の磁化に対して少なくとも−X方向の磁気力を与える結果、−X方向の成分を有する磁化が発生する。後述されるように、そのような磁化が、−X方向の磁気モーメントを有する電子(−X方向スピン偏極電子)の供給において重要な役割を果たす。   As described above, the magnetization of the first magnetization fixed layer 1a gives at least the magnetic force in the + X direction to the magnetization of one end of the magnetization free layer 2, and as a result, magnetizations MA and MB having a component in the + X direction are generated. As will be described later, these magnetizations MA and MB play an important role in supplying electrons having a magnetic moment in the + X direction (+ X direction spin-polarized electrons). The same argument can be applied to the other first magnetization fixed layer 1b. As a result of the magnetization of the first magnetization fixed layer 1b giving at least a magnetic force in the −X direction to the magnetization of the other end of the magnetization free layer 2, magnetization having a −X direction component is generated. As will be described later, such magnetization plays an important role in supplying electrons having a magnetic moment in the −X direction (−X direction spin-polarized electrons).

データの書き込みは、「水平スピン注入方式」により行なわれる。すなわち、書き込み電流は、MTJを貫通せず、磁化自由層2内で平面的に流される。具体的には、磁化自由層2の一端から他端に流される。   Data is written by the “horizontal spin injection method”. That is, the write current does not pass through the MTJ and flows in a plane in the magnetization free layer 2. Specifically, it flows from one end of the magnetization free layer 2 to the other end.

例えば、データ“1”が“0”に書き換えられる場合、書き込み電流は、第1磁化固定層1bから磁化自由層2を通って第1磁化固定層1aに流される。この場合、図2に示されるように、電子は、第1磁化固定層1aから磁化自由層2を通って第1磁化固定層1bに流れる。この時、図3で示された磁化MA、MBにより、電子の+X方向へのスピン偏極は大きくなる。つまり、磁化MA、MBにより、+X方向スピン偏極電子が効率的に生成される。その+X方向スピン偏極電子が磁化自由層2に流れ込むため、スピントランスファー効果により、磁化自由層2の磁化が+X方向に反転する。尚、図3で示されたように、磁化自由層2の最端部には、−X方向の成分を有する磁化MCが存在する。しかしながら、磁化MCの領域には書き込み電流は流れにくいため、磁化MCの影響はほとんど現れない。   For example, when the data “1” is rewritten to “0”, the write current flows from the first magnetization fixed layer 1 b to the first magnetization fixed layer 1 a through the magnetization free layer 2. In this case, as shown in FIG. 2, electrons flow from the first magnetization fixed layer 1a through the magnetization free layer 2 to the first magnetization fixed layer 1b. At this time, the spin polarization of electrons in the + X direction is increased by the magnetizations MA and MB shown in FIG. That is, + X direction spin-polarized electrons are efficiently generated by the magnetizations MA and MB. Since the + X direction spin-polarized electrons flow into the magnetization free layer 2, the magnetization of the magnetization free layer 2 is reversed in the + X direction by the spin transfer effect. As shown in FIG. 3, the magnetization MC having a component in the −X direction exists at the outermost end portion of the magnetization free layer 2. However, since the write current hardly flows in the magnetization MC region, the influence of the magnetization MC hardly appears.

一方、データ“0”が“1”に書き換えられる場合、書き込み電流は、第1磁化固定層1aから磁化自由層2を通って第1磁化固定層1bに流される。従って、図2に示されるように、電子は、第1磁化固定層1bから磁化自由層2を通って第1磁化固定層1aに流れる。この場合も同様に、第1磁化固定層1bの端部近傍の磁化により、−X方向スピン偏極電子が効率的に生成される。その−X方向スピン偏極電子が磁化自由層2に流れ込むため、スピントランスファー効果により、磁化自由層2の磁化が−X方向に反転する。このように、磁化自由層2中を流れる書き込み電流の方向を制御することにより、データ書き込みを実現することが可能である。   On the other hand, when the data “0” is rewritten to “1”, the write current flows from the first magnetization fixed layer 1a through the magnetization free layer 2 to the first magnetization fixed layer 1b. Accordingly, as shown in FIG. 2, electrons flow from the first magnetization fixed layer 1b to the first magnetization fixed layer 1a through the magnetization free layer 2. In this case as well, −X direction spin-polarized electrons are efficiently generated by the magnetization in the vicinity of the end of the first magnetization fixed layer 1b. Since the −X direction spin-polarized electrons flow into the magnetization free layer 2, the magnetization of the magnetization free layer 2 is reversed in the −X direction by the spin transfer effect. In this way, data writing can be realized by controlling the direction of the write current flowing in the magnetization free layer 2.

データ書き込みは、磁壁移動の観点から述べることもできる。データ“1”から“0”への書き換え時、+X方向スピン偏極電子が、磁壁DWに対して+X方向のスピントルクを与える。その結果、磁壁DWは、第1磁化固定層1a側から+X方向に移動する。その磁壁移動は、他方の第1磁化固定層1bによる+Z方向の磁化によって止められる。一方、データ“0”から“1”への書き換え時、−X方向スピン偏極電子が、磁壁DWに対して−X方向のスピントルクを与える。その結果、磁壁DWは、第1磁化固定層1b側から−X方向に移動する。その磁壁移動は、他方の第1磁化固定層1aによる+Z方向の磁化によって止められる(図3参照)。本実施の形態において、データ書き込みは、「磁壁移動方式」によって実現されていると言える。   Data writing can also be described from the viewpoint of domain wall motion. When the data “1” is rewritten from “0”, the + X direction spin-polarized electrons give the + X direction spin torque to the domain wall DW. As a result, the domain wall DW moves in the + X direction from the first magnetization fixed layer 1a side. The domain wall motion is stopped by the magnetization in the + Z direction by the other first magnetization fixed layer 1b. On the other hand, when the data “0” is rewritten from “1”, the −X direction spin-polarized electrons give the −X direction spin torque to the domain wall DW. As a result, the domain wall DW moves in the −X direction from the first magnetization fixed layer 1b side. The domain wall movement is stopped by the magnetization in the + Z direction by the other first magnetization fixed layer 1a (see FIG. 3). In the present embodiment, it can be said that data writing is realized by the “domain wall motion method”.

磁壁移動の特性は、第1磁化固定層1a、1bと磁化自由層2の材質や形状によって決定される。後述されるように、第1磁化固定層1a、1bと磁化自由層2に関して、材料の磁気特性、形状、大小関係、位置関係を適切に調整することによって、磁壁移動の特性を向上させることができる。   The characteristics of domain wall motion are determined by the materials and shapes of the first magnetization fixed layers 1 a and 1 b and the magnetization free layer 2. As will be described later, the domain wall motion characteristics can be improved by appropriately adjusting the magnetic characteristics, shape, magnitude relationship, and positional relationship of the materials with respect to the first magnetization fixed layers 1a, 1b and the magnetization free layer 2. it can.

データの読み出しは、MTJの抵抗値を検出することによって行なわれる。具体的には、MTJを貫通するように、読み出し電流が磁化自由層2と第2磁化固定層4との間に流される。その読み出し電流に基づいてMTJの抵抗値が検出され、データ“1”あるいは“0”がセンスされる。   Data is read by detecting the resistance value of the MTJ. Specifically, a read current is passed between the magnetization free layer 2 and the second magnetization fixed layer 4 so as to penetrate the MTJ. Based on the read current, the resistance value of MTJ is detected, and data “1” or “0” is sensed.

1−3.様々な平面形状
図4は、第1磁化固定層1(1a、1b)の様々なXY平面形状(切断面)を示している。第1磁化固定層1の平面形状としては、円、楕円、四角形、多角形などが挙げられる。その平面形状の種類により、磁化自由層2に形成される磁壁のタイプや位置をコントロールすることができる。
1-3. Various Planar Shapes FIG. 4 shows various XY planar shapes (cut planes) of the first magnetization fixed layer 1 (1a, 1b). Examples of the planar shape of the first magnetization fixed layer 1 include a circle, an ellipse, a quadrangle, and a polygon. The type and position of the domain wall formed in the magnetization free layer 2 can be controlled by the type of the planar shape.

図5Aは、磁化自由層2の様々なXY平面形状を示している。磁化自由層2の平面形状のアスペクト比(長軸/短軸)は1より大きい。その平面形状としては、楕円、長方形、多角形などが挙げられる。   FIG. 5A shows various XY plane shapes of the magnetization free layer 2. The aspect ratio (major axis / minor axis) of the planar shape of the magnetization free layer 2 is larger than 1. Examples of the planar shape include an ellipse, a rectangle, and a polygon.

図5B及び図5Cは、磁化自由層2の様々な変形例を示している。いずれの変形例においても、磁化自由層2は、中央部に対して一端側に位置する第1領域B1と、中央部に対して他端側に位置する第2領域B2とを含んでいる。第1領域B1及び第2領域B2の断面積は、中央部の断面積と異なっている。エネルギーの観点から言えば、磁壁DWは、その面積が小さいほど安定となる。図5Bに示された例では、中央部が、第1領域B1及び第2領域B2よりも太くなっている。この場合、磁壁DWが中央部付近で停止することが防止される。図5Cに示された例では、第1領域B1と第2領域B2の側部に凹部または凸部が形成されている。凹部の場合、第1領域B1と第2領域B2の断面積は、中央部の断面積よりも小さい。結果として、データ書き込み時、磁壁DWは、第1領域B1あるいは第2領域B2で止まりやすくなる。凸部の場合、第1領域B1と第2領域B2の断面積は、中央部の断面積よりも大きい。結果として、データ書き込み時、磁壁DWは、第1領域B1あるいは第2領域B2の手前で止まりやすくなる。このように、磁化自由層2に第1領域B1と第2領域B2を設けることによって、動作特性が向上する。   5B and 5C show various modifications of the magnetization free layer 2. In any of the modifications, the magnetization free layer 2 includes a first region B1 located on one end side with respect to the central portion and a second region B2 located on the other end side with respect to the central portion. The cross-sectional areas of the first region B1 and the second region B2 are different from the cross-sectional area of the central portion. From the viewpoint of energy, the domain wall DW becomes more stable as its area decreases. In the example shown in FIG. 5B, the central portion is thicker than the first region B1 and the second region B2. In this case, the domain wall DW is prevented from stopping near the center. In the example shown in FIG. 5C, concave portions or convex portions are formed on the side portions of the first region B1 and the second region B2. In the case of the concave portion, the cross-sectional area of the first region B1 and the second region B2 is smaller than the cross-sectional area of the central portion. As a result, the domain wall DW tends to stop in the first region B1 or the second region B2 during data writing. In the case of a convex part, the cross-sectional area of 1st area | region B1 and 2nd area | region B2 is larger than the cross-sectional area of a center part. As a result, at the time of data writing, the domain wall DW tends to stop before the first region B1 or the second region B2. Thus, by providing the first region B1 and the second region B2 in the magnetization free layer 2, the operating characteristics are improved.

1−4.様々な平面位置関係
図6A〜図6Cは、第1磁化固定層1(1a,1b)と磁化自由層2との様々な位置関係を示している。その位置関係は、Z方向から見た場合の平面位置関係である。
1-4. Various Planar Positional Relationships FIGS. 6A to 6C show various positional relationships between the first magnetization fixed layer 1 (1a, 1b) and the magnetization free layer 2. FIG. The positional relationship is a planar positional relationship when viewed from the Z direction.

図6Aに示されるように、2つの第1磁化固定層1は、磁化自由層2の両端に設けられている。2つの第1磁化固定層1は、その両端の少し内側に位置していてもよいし、その両端の少し外側に位置していてもよい。特に、2つの第1磁化固定層1が、両端から少し外側に位置していると好適である。より詳細には、一方の第1磁化固定層1aの平面形状が、磁化自由層2の平面形状から−X方向にはみ出しており、他方の第1磁化固定層1bの平面形状が、磁化自由層2の平面形状から+X方向にはみ出している。その結果、図6Aに示されるように、はみ出し部Pbが現れる。この場合、図3で示された−X方向の成分を有する磁化MCが少なくなり、好適である。同時に、+X方向の成分を有する磁化MBの寄与が相対的に多くなり、好適である。すなわち、+X方向スピン偏極電子の供給効率を増加させ、また、磁壁DWを適切な位置に安定的に止めることが可能となる。   As shown in FIG. 6A, the two first magnetization fixed layers 1 are provided at both ends of the magnetization free layer 2. The two first magnetization fixed layers 1 may be located slightly inside the both ends, or may be located slightly outside the both ends. In particular, it is preferable that the two first magnetization fixed layers 1 are located slightly outside from both ends. More specifically, the planar shape of one first magnetization fixed layer 1a protrudes in the −X direction from the planar shape of the magnetization free layer 2, and the planar shape of the other first magnetization fixed layer 1b is the magnetization free layer. 2 protrudes in the + X direction from the planar shape. As a result, as shown in FIG. 6A, the protruding portion Pb appears. In this case, the magnetization MC having the component in the −X direction shown in FIG. At the same time, the contribution of the magnetization MB having a component in the + X direction is relatively large, which is preferable. That is, the supply efficiency of + X direction spin-polarized electrons can be increased, and the domain wall DW can be stably stopped at an appropriate position.

また、図6Bに示されるように、第1磁化固定層1のY方向の幅は、磁化自由層2のY方向の幅より大きくても小さくても構わない。但し、上述のはみ出し部Pbの観点から言えば、第1磁化固定層1のY方向の幅が、磁化自由層2のY方向の幅より大きいことが好適である。また、図6Cに示されるように、3つ以上の第1磁化固定層1が設けられてもよい。その場合、磁化自由層2の1つの端部近傍には、少なくとも1つの第1磁化固定層1が設けられる。図6Cに示された例の場合、4つの第1磁化固定層1が、磁化自由層2の四隅のそれぞれにはみ出し部Pbが現れるように設けられており、好適である。   As shown in FIG. 6B, the width of the first magnetization fixed layer 1 in the Y direction may be larger or smaller than the width of the magnetization free layer 2 in the Y direction. However, from the viewpoint of the above-described protrusion Pb, it is preferable that the width of the first magnetization fixed layer 1 in the Y direction is larger than the width of the magnetization free layer 2 in the Y direction. Further, as shown in FIG. 6C, three or more first magnetization fixed layers 1 may be provided. In that case, at least one first magnetization fixed layer 1 is provided in the vicinity of one end of the magnetization free layer 2. In the case of the example shown in FIG. 6C, the four first magnetization fixed layers 1 are preferably provided so that the protruding portions Pb appear at the four corners of the magnetization free layer 2, respectively.

1−5.様々な側面形状
図7A〜図7Dは、本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の様々な側面形状を示している。図7Aに示された例では、磁化自由層2及びトンネル絶縁層3は、第1磁化固定層1に近づくにつれて拡がるテーパー構造を有している。つまり、磁化自由層2及びトンネル絶縁層3の側面STが、テーパー状に加工されている。テーパー加工は、エッチング条件やミリング条件を制御することにより行われる。既出の図3を参照すると、磁化自由層2の側面STがテーパー状となっている場合、磁化自由層2の端部の磁化が+X方向に向きやすくなることがわかる。つまり、テーパー構造により、磁化自由層2内の+X方向の磁化成分が増加する。これにより、+X方向スピン偏極電子の供給効率が増加するため、磁壁移動に要する書き込み電流を低減することが可能となる。
1-5. Various Side Shapes FIGS. 7A to 7D show various side shapes of the magnetoresistive effect element according to the present embodiment. In the example shown in FIG. 7A, the magnetization free layer 2 and the tunnel insulating layer 3 have a tapered structure that expands toward the first magnetization fixed layer 1. That is, the side surface ST of the magnetization free layer 2 and the tunnel insulating layer 3 is processed into a taper shape. The taper processing is performed by controlling etching conditions and milling conditions. Referring to FIG. 3 described above, it can be seen that when the side surface ST of the magnetization free layer 2 is tapered, the magnetization at the end of the magnetization free layer 2 is easily oriented in the + X direction. That is, the taper structure increases the magnetization component in the + X direction in the magnetization free layer 2. As a result, the supply efficiency of the + X direction spin-polarized electrons increases, so that the write current required for the domain wall movement can be reduced.

図7B及び図7Cに示された例では、第1磁化固定層1a、1bは、磁化自由層2に近づくにつれて拡がるテーパー構造を有している。つまり、第1磁化固定層1a、1bの側面STが、テーパー状に加工されている。この場合、第1磁化固定層1及び磁化自由層2内の+X方向の磁化成分が増加する。これにより、+X方向スピン偏極電子の供給効率が増加するため、磁壁移動に要する書き込み電流を低減することが可能となる。   In the example shown in FIGS. 7B and 7C, the first magnetization fixed layers 1a and 1b have a tapered structure that expands as the magnetization free layer 2 is approached. That is, the side surfaces ST of the first magnetization fixed layers 1a and 1b are processed into a taper shape. In this case, the magnetization component in the + X direction in the first magnetization fixed layer 1 and the magnetization free layer 2 increases. As a result, the supply efficiency of the + X direction spin-polarized electrons increases, so that the write current required for the domain wall movement can be reduced.

更に、図7Dに示された例では、第1磁化固定層1a、1bの長手方向が、XY面に対して斜めである。つまり、第1磁化固定層1a、1bの磁化容易軸がZ軸からずれている。第1磁化固定層1aの固定磁化は+X方向の成分を有しており、第1磁化固定層1bの固定磁化は−X方向の成分を有している。その結果、磁壁移動に適したスピン偏極電子の供給効率が著しく増加し、好適である。   Furthermore, in the example shown in FIG. 7D, the longitudinal direction of the first magnetization fixed layers 1a and 1b is oblique to the XY plane. That is, the easy magnetization axes of the first magnetization fixed layers 1a and 1b are deviated from the Z axis. The fixed magnetization of the first magnetization fixed layer 1a has a component in the + X direction, and the fixed magnetization of the first magnetization fixed layer 1b has a component in the -X direction. As a result, the supply efficiency of spin-polarized electrons suitable for domain wall movement is remarkably increased, which is preferable.

1−6.材料
第1磁化固定層1、磁化自由層2及び第2磁化固定層4の材料として、例えば、Fe(鉄)、Co(コバルト)、Ni(ニッケル)、またはそれらを主成分とする合金を用いることができる。特に、Fe−Ni、Fe−Co−Ni、Fe−Coが望ましい。また、これら磁性体に非磁性元素を添加することにより、磁気特性、結晶性、機械的特性、化学的特性などの特性を調整してもよい。添加される非磁性元素としては、Ag(銀)、Cu(銅)、Au(金)、B(ボロン)、C(炭素)、N(窒素)、O(酸素)、Mg(マグネシウム)、Al(アルミニウム)、Si(シリコン)、P(リン)、Ti(チタン)、Cr(クロム)、Zr(ジルコニウム)、Nb(ニオブ)、Mo(モリブテン)、Hf(ハフニウム)、Ta(タンタル)、W(タングステン)、Pd(パラジウム)、Pt(白金)などが挙げられる。その場合、Ni−Fe−Zr、Co−Fe−Bなどの材料が例示される。
1-6. Material As the material of the first magnetization fixed layer 1, the magnetization free layer 2, and the second magnetization fixed layer 4, for example, Fe (iron), Co (cobalt), Ni (nickel), or an alloy containing them as a main component is used. be able to. In particular, Fe—Ni, Fe—Co—Ni, and Fe—Co are desirable. Moreover, you may adjust characteristics, such as a magnetic characteristic, crystallinity, a mechanical characteristic, and a chemical characteristic, by adding a nonmagnetic element to these magnetic bodies. Nonmagnetic elements to be added include Ag (silver), Cu (copper), Au (gold), B (boron), C (carbon), N (nitrogen), O (oxygen), Mg (magnesium), Al (Aluminum), Si (silicon), P (phosphorus), Ti (titanium), Cr (chromium), Zr (zirconium), Nb (niobium), Mo (molybdenum), Hf (hafnium), Ta (tantalum), W (Tungsten), Pd (palladium), Pt (platinum) and the like. In that case, materials such as Ni—Fe—Zr and Co—Fe—B are exemplified.

磁化自由層2は、磁壁が移動する層であり、スムーズな磁壁移動を実現できる結晶構造を有することが好適である。格子欠陥や粒界等は、スムーズな磁壁移動を妨げるピニングサイトとなる。従って、磁化自由層2は、アモルファス構造や単結晶構造といった、ピンニングサイトを多く含まない構造を有することが望ましい。アモルファス構造は、磁性材料にP、Si、B、Cなどを添加したり、窒素雰囲気中で成膜を行ったり、成膜レートをコントロールしたり、あるいは基板を冷却して成膜したりするなどして実現できる。また、基板を加熱して成膜したり、結晶成長のためのシード層を適切に選択したりすることによって、単結晶性を高めることも可能である。また、垂直方向の磁気異方性をコントロールすることによって、磁壁DW中の磁気モーメントのZ方向への向きやすさを調整することもできる。   The magnetization free layer 2 is a layer in which the domain wall moves, and preferably has a crystal structure capable of realizing smooth domain wall movement. Lattice defects, grain boundaries, and the like serve as pinning sites that hinder smooth domain wall movement. Therefore, it is desirable that the magnetization free layer 2 has a structure that does not include many pinning sites, such as an amorphous structure or a single crystal structure. For the amorphous structure, P, Si, B, C, or the like is added to the magnetic material, the film is formed in a nitrogen atmosphere, the film formation rate is controlled, or the film is formed by cooling the substrate. Can be realized. In addition, it is possible to increase the single crystallinity by heating the substrate to form a film or by appropriately selecting a seed layer for crystal growth. In addition, by controlling the magnetic anisotropy in the vertical direction, the ease of orientation of the magnetic moment in the domain wall DW in the Z direction can be adjusted.

第2磁化固定層4に関しては、磁化反転を防止するために、保持力の大きな材料が用いられることが望ましい。また、読み出し動作時に広い動作マージン、高い信号雑音比(SN比)を得るためには、高いMR比が得られる磁性材料を選択することが望ましい。具体的には、第2磁化固定層4の材料として、Fe、Co、Ni、またはそれらからなる合金が選択されるとよい。そのような磁性材料に4d、5d遷移金属元素や希土類元素などを添加することにより、その磁気特性を調整することができる。   For the second magnetization fixed layer 4, it is desirable to use a material having a large coercive force in order to prevent magnetization reversal. In order to obtain a wide operation margin and a high signal-to-noise ratio (SN ratio) during a read operation, it is desirable to select a magnetic material that can provide a high MR ratio. Specifically, Fe, Co, Ni, or an alloy made of them may be selected as the material for the second magnetization fixed layer 4. By adding a 4d, 5d transition metal element, a rare earth element, or the like to such a magnetic material, the magnetic characteristics can be adjusted.

第1磁化固定層1に関しては、磁化反転が起こりにくく、また、磁壁が移動しにくいことが望ましい。よって、第1磁化固定層1の材料として、保持力の大きな材料が用いられることが望ましい。また、第1磁化固定層1は、格子欠陥や粒界を多く含む構造を有することが望ましい。更に、低電流で磁壁DWを移動させるためには、書き込み時の伝導電子のスピン偏極率が高いことが望ましい。そのためには、第1磁化固定層1、磁化自由層2の材料はスピン分極率の高い材料であることが望ましい。   Regarding the first magnetization fixed layer 1, it is desirable that magnetization reversal hardly occurs and that the domain wall hardly move. Therefore, it is desirable to use a material having a large coercive force as the material of the first magnetization fixed layer 1. Moreover, it is desirable that the first magnetization fixed layer 1 has a structure including many lattice defects and grain boundaries. Furthermore, in order to move the domain wall DW with a low current, it is desirable that the spin polarization rate of conduction electrons during writing is high. For this purpose, the material of the first magnetization fixed layer 1 and the magnetization free layer 2 is desirably a material having a high spin polarizability.

トンネルバリヤ層3の材料として、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)などの絶縁体を用いることができる。また、トンネルバリヤ層3の材料として、Cu、Cr、Al、Zn(亜鉛)などの非磁性金属を用いることもできる。 As a material of the tunnel barrier layer 3, an insulator such as Al 2 O 3 (aluminum oxide), SiO 2 (silicon oxide), MgO (magnesium oxide), AlN (aluminum nitride), or the like can be used. Further, as the material of the tunnel barrier layer 3, a nonmagnetic metal such as Cu, Cr, Al, Zn (zinc) can be used.

1−7.回路構成
図8は、上述の磁気抵抗効果素子を用いた磁気メモリセルの一例を示す回路図である。図8において、書き込み電流を供給するための選択トランジスタ10a、10bが、第1磁化固定層1a、1bに接続されている。具体的には、選択トランジスタ10aのソース/ドレインの一方は、第1磁化固定層1aに接続され、その他方は、第1ビット線11aに接続されている。同様に、選択トランジスタ10bのソース/ドレインの一方は、第1磁化固定層1bに接続され、その他方は、第2ビット線11bに接続されている。選択トランジスタ10a、10bのゲートは、ワード線12に接続されている。更に、第2磁化固定層4は、アース線13に接続されている。
1-7. Circuit Configuration FIG. 8 is a circuit diagram showing an example of a magnetic memory cell using the magnetoresistive element described above. In FIG. 8, select transistors 10a and 10b for supplying a write current are connected to the first magnetization fixed layers 1a and 1b. Specifically, one of the source / drain of the selection transistor 10a is connected to the first magnetization fixed layer 1a, and the other is connected to the first bit line 11a. Similarly, one of the source / drain of the selection transistor 10b is connected to the first magnetization fixed layer 1b, and the other is connected to the second bit line 11b. The gates of the selection transistors 10 a and 10 b are connected to the word line 12. Further, the second magnetization fixed layer 4 is connected to the ground wire 13.

データ書き込み時、ワード線12がONされ、アース線13がOFFされ、ビット線11a、11b間に所定の電位差が与えられる。その結果、書き込み電流は、例えば「第1ビット線11a−選択トランジスタ10a−第1磁化固定層1a−磁化自由層2−第1磁化固定層1b−選択トランジスタ10b−第2ビット線11b」の経路を流れる。逆の電流経路も可能である。これにより、既出の実施の形態で示されたデータ書き込みが実現される。   When writing data, the word line 12 is turned on, the ground line 13 is turned off, and a predetermined potential difference is applied between the bit lines 11a and 11b. As a result, the write current is, for example, a path of “first bit line 11a—selection transistor 10a—first magnetization fixed layer 1a—magnetization free layer 2—first magnetization fixed layer 1b—selection transistor 10b—second bit line 11b”. Flowing. A reverse current path is also possible. Thereby, the data writing shown in the foregoing embodiments is realized.

データ読み出し時、ワード線12がONされ、アース線13がONされ、ビット線11a、11bが等電位に設定される。その結果、読み出し電流は、「ビット線11a、11b−選択トランジスタ10a、10b−第1磁化固定層1a、1b−磁化自由層2−トンネルバリヤ層3−第2磁化固定層4−アース線13」の経路を流れる。その読み出し電流に基づいて、記憶データをセンスすることができる。   When reading data, the word line 12 is turned on, the ground line 13 is turned on, and the bit lines 11a and 11b are set to the same potential. As a result, the read current is “bit lines 11a, 11b—selection transistors 10a, 10b—first magnetization fixed layer 1a, 1b—magnetization free layer 2—tunnel barrier layer 3—second magnetization fixed layer 4—ground line 13”. Flowing through the path. Based on the read current, stored data can be sensed.

図9は、複数の磁気メモリセル110がアレイ状に配置されたMRAM100の構成の一例を示している。各磁気メモリセル110は、図8に示された構成を有している。ワード線12はXセレクタ120に接続されており、Xセレクタ120は、アクセス対象の磁気メモリセル110につながるワード線12を選択する。ビット線11a、11bは、Yセレクタ130、Y側電流終端回路140に接続されている。Yセレクタ130は、アクセス対象の磁気メモリセル110につながるビット線11a(あるいは11b)を選択する。選択されたビット線を通して、書き込み電流が、アクセス対象の磁気メモリセル110に供給される、あるいは、引き抜かれる。   FIG. 9 shows an example of the configuration of the MRAM 100 in which a plurality of magnetic memory cells 110 are arranged in an array. Each magnetic memory cell 110 has the configuration shown in FIG. The word line 12 is connected to the X selector 120, and the X selector 120 selects the word line 12 connected to the magnetic memory cell 110 to be accessed. The bit lines 11a and 11b are connected to the Y selector 130 and the Y-side current termination circuit 140. The Y selector 130 selects the bit line 11a (or 11b) connected to the magnetic memory cell 110 to be accessed. A write current is supplied to or extracted from the magnetic memory cell 110 to be accessed through the selected bit line.

1−8.レイアウト
図10は、図8に示された磁気メモリセルの断面構造の一例を示している。図11A〜図11Eは、図10中の層LA〜LEのそれぞれに対するXY面レイアウト例を示している。逆に、図11A〜図11E中の線A−A’に沿った断面構造が、図10に示されている。
1-8. Layout FIG. 10 shows an example of a cross-sectional structure of the magnetic memory cell shown in FIG. 11A to 11E show XY plane layout examples for the layers LA to LE in FIG. Conversely, a cross-sectional structure taken along line AA ′ in FIGS. 11A to 11E is shown in FIG.

図10を参照して、半導体基板16中に素子分離構造17が形成されている。素子分離構造17の両側の素子領域のそれぞれに、選択トランジスタ10a、10bが形成されている。各選択トランジスタは、半導体基板16上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極(ワード線)12と、半導体基板16の表面に形成された拡散層(ソース/ドレイン)18a、18bを有している。拡散層18aは、ビア15、メタル層14、及び電極層19を介して、第1磁化固定層1a、1bに接続されている。一方、拡散層18bは、ビア15及びメタル層14を介して、最上層でビット線11a、11bに接続されている。また、第2磁化固定層4は、電極層19及びビア15を介して、アース線13に接続されている。   Referring to FIG. 10, element isolation structure 17 is formed in semiconductor substrate 16. Select transistors 10a and 10b are formed in the element regions on both sides of the element isolation structure 17, respectively. Each selection transistor has a gate electrode (word line) 12 formed on a semiconductor substrate 16 via a gate insulating film, and diffusion layers (source / drain) 18a and 18b formed on the surface of the semiconductor substrate 16. ing. The diffusion layer 18 a is connected to the first magnetization fixed layers 1 a and 1 b through the via 15, the metal layer 14, and the electrode layer 19. On the other hand, the diffusion layer 18b is connected to the bit lines 11a and 11b through the via 15 and the metal layer 14 in the uppermost layer. The second magnetization fixed layer 4 is connected to the ground wire 13 through the electrode layer 19 and the via 15.

図11A〜図11Eに示されるように、図10で示された各構造は、無駄なくレイアウトされている。選択トランジスタ10を用いて書き込み電流を磁化自由層2に供給するという本実施の形態に係る書き込み方式は、電流磁界方式で必要とされる書き込み配線を必要としない。且つ、当該書き込み方式は、半導体基板上に設けられるトランジスタを、無駄なく有効に利用することができる。また、図11Aに示されるように、選択トランジスタ10a、10bのゲート電極(ワード線)12は共通化されている。   As shown in FIGS. 11A to 11E, the structures shown in FIG. 10 are laid out without waste. The write method according to the present embodiment in which the write current is supplied to the magnetization free layer 2 using the selection transistor 10 does not require a write wiring required for the current magnetic field method. In addition, the writing method can effectively use a transistor provided over a semiconductor substrate without waste. Further, as shown in FIG. 11A, the gate electrodes (word lines) 12 of the select transistors 10a and 10b are shared.

更に、本実施の形態によれば、第1磁化固定層1a、1bと磁化自由層2は、同一平面上に形成されておらず、立体的に組み合わされている。第1磁化固定層1a、1bの固定磁化を安定的に維持するためには、第1磁化固定層1a、1bとしてある程度のボリュームが必要である。本実施の形態によれば、第1磁化固定層1a、1bはZ方向に延びるように形成されるため、それらのXY平面形状を縮小することができる(図4参照)。更に、第1磁化固定層1a、1bと磁化自由層2はオーバーラップしている(図11B参照)。従って、従来技術と比較して、磁気メモリセルの面積が低減される。図11A〜図11Eで示された例の場合、セル面積は12.8Fとなる。 Furthermore, according to the present embodiment, the first magnetization fixed layers 1a and 1b and the magnetization free layer 2 are not formed on the same plane, but are sterically combined. In order to stably maintain the fixed magnetization of the first magnetization fixed layers 1a and 1b, a certain amount of volume is required as the first magnetization fixed layers 1a and 1b. According to the present embodiment, since the first magnetization fixed layers 1a and 1b are formed to extend in the Z direction, their XY plane shapes can be reduced (see FIG. 4). Further, the first magnetization fixed layers 1a and 1b and the magnetization free layer 2 overlap (see FIG. 11B). Therefore, the area of the magnetic memory cell is reduced as compared with the prior art. In the case of the example shown in FIGS. 11A to 11E, the cell area is 12.8F 2 .

1−9.効果
本実施の形態により得られる主な効果は、次の通りである。
1-9. Effects The main effects obtained by the present embodiment are as follows.

まず、データ書き込みがスピン注入方式で行われるため、素子の微細化に伴って、書き込み電流をより小さくすることが可能である。言い換えれば、データ書き込みに必要な最低限の電流値がより小さくなる。これは、書き込みマージンが広くなることを意味する。   First, since data writing is performed by a spin injection method, the writing current can be further reduced as the element is miniaturized. In other words, the minimum current value required for data writing becomes smaller. This means that the write margin is widened.

また、データ書き込みが水平スピン注入方式で行われるため、書き込み電流はMTJを貫通しない。書き込み毎に書き込み電流をトンネルバリヤ層3に流す必要がないため、トンネルバリヤ層3の劣化が抑制される。更に、読み出し特性がトンネルバリヤ層3を含むMTJの性質に依存するのに対し、書き込み特性は磁化自由層2の性質に主に依存する。従って、読み出し特性と書き込み特性をほぼ独立して設計することが可能となる。言い換えれば、読み出し特性に大きく制約されることなく、書き込み特性を設計することが可能となる。すなわち、書き込み特性の設計自由度が向上する。このことも、書き込みマージンの拡大に寄与する。   In addition, since data writing is performed by the horizontal spin injection method, the write current does not penetrate the MTJ. Since it is not necessary to pass a write current through the tunnel barrier layer 3 for each write, deterioration of the tunnel barrier layer 3 is suppressed. Further, while the read characteristic depends on the property of the MTJ including the tunnel barrier layer 3, the write characteristic mainly depends on the property of the magnetization free layer 2. Therefore, it is possible to design the read characteristic and the write characteristic almost independently. In other words, the write characteristics can be designed without being largely restricted by the read characteristics. That is, the degree of freedom in designing the write characteristics is improved. This also contributes to the expansion of the write margin.

更に、本実施の形態によれば、第1磁化固定層1と磁化自由層2は、同一平面上に形成されておらず、立体的に配置されている。その結果、次のような効果が更に得られる。   Furthermore, according to the present embodiment, the first magnetization fixed layer 1 and the magnetization free layer 2 are not formed on the same plane but are arranged three-dimensionally. As a result, the following effects can be further obtained.

磁化方向が可変な領域と磁化方向が固定された領域とでは、求められる磁気特性も異なってくる。しかしながら、それら領域が同一の磁性層内に存在する場合、領域ごとに磁気特性を調整することが困難である。本実施の形態によれば、第1磁化固定層1と磁化自由層2を、独立して設計することが可能である。すなわち、設計の自由度が高い。その結果、第1磁化固定層1と磁化自由層2のそれぞれを、求められる磁気特性に応じて最適化することが可能となる。   The required magnetic characteristics differ between the region in which the magnetization direction is variable and the region in which the magnetization direction is fixed. However, when these regions exist in the same magnetic layer, it is difficult to adjust the magnetic characteristics for each region. According to the present embodiment, the first magnetization fixed layer 1 and the magnetization free layer 2 can be designed independently. That is, the degree of freedom in design is high. As a result, it is possible to optimize each of the first magnetization fixed layer 1 and the magnetization free layer 2 according to the required magnetic characteristics.

また、第1磁化固定層1a、1bの磁化の向きは、反対のスピン偏極電子を供給できるように固定されなければならない。一対の第1磁化固定層1a、1bと磁化自由層2が同一平面上で直線状に形成される場合、その一対の第1磁化固定層1a、1bの磁化を互いに反対向きに固定する必要がある。このことは、複雑な製造プロセスを必要としてしまう。本実施の形態では、第1磁化固定層1a、1bの磁化は、同じ方向(+Z方向あるいは−Z方向)に固定される。従って、複雑な製造プロセスが不要となる。   Further, the magnetization directions of the first magnetization fixed layers 1a and 1b must be fixed so that opposite spin-polarized electrons can be supplied. When the pair of first magnetization fixed layers 1a and 1b and the magnetization free layer 2 are linearly formed on the same plane, it is necessary to fix the magnetizations of the pair of first magnetization fixed layers 1a and 1b in opposite directions. is there. This requires a complicated manufacturing process. In the present embodiment, the magnetizations of the first magnetization fixed layers 1a and 1b are fixed in the same direction (+ Z direction or −Z direction). Therefore, a complicated manufacturing process becomes unnecessary.

更に、上記第1−8節で説明されたように、磁気抵抗素子及び磁気メモリセルの面積を縮小することが可能となる。このことは、大容量MRAMの実現に寄与する。   Furthermore, as described in the above section 1-8, the areas of the magnetoresistive element and the magnetic memory cell can be reduced. This contributes to the realization of a large-capacity MRAM.

2.第2の実施の形態
第2の実施の形態において、第1の実施の形態における構成と同じ構成には同一の符号が付され、重複する説明は適宜省略される。
2. Second Embodiment In the second embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and redundant descriptions are omitted as appropriate.

図12は、第2の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の構造を概略的に示す側面図である。本実施の形態によれば、上述の第1磁化固定層1a、1bの代わりに、第1磁化固定層20a、20bが設けられている。第1磁化固定層20a、20bは、Z方向の「結晶磁気異方性」を有する材料で形成されている。そのため、第1磁化固定層20a、20bの磁化を容易に固定することができる。また、第1磁化固定層20a、20bのZ方向のアスペクト比を大きくする必要がない。   FIG. 12 is a side view schematically showing the structure of the magnetoresistance effect element according to the second exemplary embodiment. According to the present embodiment, the first magnetization fixed layers 20a and 20b are provided instead of the first magnetization fixed layers 1a and 1b described above. The first magnetization fixed layers 20a and 20b are formed of a material having “crystalline magnetic anisotropy” in the Z direction. Therefore, the magnetization of the first magnetization fixed layers 20a and 20b can be easily fixed. Further, it is not necessary to increase the aspect ratio in the Z direction of the first magnetization fixed layers 20a and 20b.

第1磁化固定層20a、20bの材料として、Fe、Co、Niなどの遷移金属やそれらからなる合金で、垂直磁気異方性を示す材料を用いることができる。例えば、Fe、Co、Niなどの遷移金属元素とPd、Pt、Tb、Gdなどの非磁性元素からなる合金、特に規則合金が好適である。また、Fe、Co、Niなどの遷移金属やそれらからなる合金による人工格子を材料として用いることもできる。また、これら磁性金属や磁性合金に非磁性元素を添加することにより、磁気特性、結晶性、機械的特性、化学的特性などの特性を調整してもよい。第1磁化固定層20a、20bに関しては、磁気異方性が適度に大きく、またスピン分極率が高いことが望ましい。   As the material of the first magnetization fixed layers 20a and 20b, a transition metal such as Fe, Co, Ni, or an alloy made of them, and a material exhibiting perpendicular magnetic anisotropy can be used. For example, an alloy composed of a transition metal element such as Fe, Co, or Ni and a nonmagnetic element such as Pd, Pt, Tb, or Gd, particularly a regular alloy is preferable. In addition, an artificial lattice made of a transition metal such as Fe, Co, or Ni or an alloy made of them can be used as a material. Moreover, you may adjust characteristics, such as a magnetic characteristic, crystallinity, a mechanical characteristic, and a chemical characteristic, by adding a nonmagnetic element to these magnetic metals and magnetic alloys. Regarding the first magnetization fixed layers 20a and 20b, it is desirable that the magnetic anisotropy is appropriately large and the spin polarizability is high.

書き込み動作及び読み出し動作は、第1の実施の形態と同様である(図2、図3参照)。また、第1の実施の形態と同様に、第1磁化固定層20a、20bや磁化自由層2の平面形状、側面形状、位置関係等は、様々なパターンを取り得る(図4、図5A〜図5C、図6A〜図6C、図7A〜図7D参照)。回路構成やレイアウトも、第1の実施の形態と同様である(図8〜図10、図11A〜図11E参照)。本実施の形態に係る構造によっても、第1の実施の形態と同様の効果が得られる。   The write operation and the read operation are the same as those in the first embodiment (see FIGS. 2 and 3). Similarly to the first embodiment, the planar shape, the side surface shape, the positional relationship, and the like of the first magnetization fixed layers 20a and 20b and the magnetization free layer 2 can take various patterns (FIG. 4, FIG. 5A to FIG. 5). FIG. 5C, FIGS. 6A to 6C, and FIGS. 7A to 7D). The circuit configuration and layout are the same as those in the first embodiment (see FIGS. 8 to 10 and FIGS. 11A to 11E). Also by the structure according to the present embodiment, the same effect as the first embodiment can be obtained.

3.第3の実施の形態
第3の実施の形態において、既出の実施の形態における構成と同じ構成には同一の符号が付され、重複する説明は適宜省略される。
3. Third Embodiment In the third embodiment, the same reference numerals are given to the same components as those in the above-described embodiments, and overlapping descriptions are omitted as appropriate.

図13は、第3の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の構造を概略的に示す側面図である。本実施の形態によれば、第1磁化固定層1a(20a)は、導電層30aを介して磁化自由層2の一端に接続されている。第1磁化固定層1b(20b)は、導電層30bを介して磁化自由層2の他端に接続されている。導電層30の材料としては、Au、Ag、Cu、Nb、Mo、Hf、Ta、W、Al、Ti、ZrN、TiNなどの電気抵抗が低い金属元素や化合物を用いることができる。導電層30は、磁化自由層2の結晶成長のためのシード層としての役割も兼ねる。   FIG. 13 is a side view schematically showing the structure of the magnetoresistance effect element according to the third exemplary embodiment. According to the present embodiment, the first magnetization fixed layer 1a (20a) is connected to one end of the magnetization free layer 2 via the conductive layer 30a. The first magnetization fixed layer 1b (20b) is connected to the other end of the magnetization free layer 2 through the conductive layer 30b. As a material of the conductive layer 30, a metal element or a compound having a low electric resistance such as Au, Ag, Cu, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Al, Ti, ZrN, or TiN can be used. The conductive layer 30 also serves as a seed layer for crystal growth of the magnetization free layer 2.

図14は、磁化自由層2の磁化状態の一例を示している。第1磁化固定層1(20)の固定磁化が磁化自由層2の端部の磁化に影響を及ぼしており、図3で示された磁化状態と同様の磁化状態が得られる。従って、既出の実施の形態と同様の手法で、データ書き込みが実現される。この時、導電層30は、書き込み電流の供給による磁化自由層2の温度上昇を防ぐ役割も果たす。   FIG. 14 shows an example of the magnetization state of the magnetization free layer 2. The fixed magnetization of the first magnetization fixed layer 1 (20) affects the magnetization of the end portion of the magnetization free layer 2, and a magnetization state similar to the magnetization state shown in FIG. 3 is obtained. Therefore, data writing is realized by the same method as the above-described embodiment. At this time, the conductive layer 30 also serves to prevent the temperature rise of the magnetization free layer 2 due to the supply of the write current.

4.第4の実施の形態
第4の実施の形態において、既出の実施の形態における構成と同じ構成には同一の符号が付され、重複する説明は適宜省略される。
4). Fourth Embodiment In the fourth embodiment, the same reference numerals are given to the same components as those in the above-described embodiments, and overlapping descriptions are omitted as appropriate.

図15は、第4の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の構造を概略的に示す側面図である。本実施の形態によれば、第1磁化固定層1a、1b(20a、20b)は、磁化自由層2から電気的に隔離されて配置されている。その代わり、磁化自由層2の一端には第1導電層30aが接続され、その他端には第2導電層30bが接続されている。導電層30a、30bの材料は、第3の実施の形態と同様である。   FIG. 15 is a side view schematically showing the structure of the magnetoresistance effect element according to the fourth exemplary embodiment. According to the present embodiment, the first magnetization fixed layers 1a and 1b (20a and 20b) are arranged to be electrically isolated from the magnetization free layer 2. Instead, the first conductive layer 30a is connected to one end of the magnetization free layer 2, and the second conductive layer 30b is connected to the other end. The materials of the conductive layers 30a and 30b are the same as those in the third embodiment.

第1磁化固定層1a、1b(20a、20b)は、磁化自由層2から離れているが、磁化自由層2と磁気的には結合している。既出の実施の形態と同様に、第1磁化固定層1a(20a)は、磁化自由層2の一端の側に配置されており、その固定磁化は、磁化自由層2の一端の磁化に影響を及ぼしている。また、第1磁化固定層1b(20b)は、磁化自由層2の他端の側に配置されており、その固定磁化は、その磁化自由層2の他端の磁化に影響を及ぼしている。その結果、図3で示された磁化状態と同様の磁化状態が得られる。   The first magnetization fixed layers 1a and 1b (20a and 20b) are separated from the magnetization free layer 2, but are magnetically coupled to the magnetization free layer 2. Similar to the above-described embodiment, the first magnetization fixed layer 1a (20a) is arranged on one end side of the magnetization free layer 2, and the fixed magnetization affects the magnetization of one end of the magnetization free layer 2. It is exerting. The first magnetization fixed layer 1 b (20 b) is disposed on the other end side of the magnetization free layer 2, and the fixed magnetization affects the magnetization of the other end of the magnetization free layer 2. As a result, a magnetization state similar to the magnetization state shown in FIG. 3 is obtained.

特に、図15に示されるように、第1磁化固定層1a、1b(20a、20b)は、導電層30a、30bの外側に設けられることが好適である。つまり、第1磁化固定層1a(20a)は、磁化自由層2から−X方向に離れて配置され、第2磁化固定層1b(20b)は、磁化自由層2から+X方向に離れて配置される。その場合、既出の図6A〜図6Cで示された「はみだし部Pb」と同様の効果が得られる。図3で示された例で言えば、−X方向の成分を有する磁化MCがほぼ無くなり、逆に、+X方向の成分を有する磁化MBが増える。また、磁化MBの+X方向の成分自体も増大する。これらのことは、+X方向スピン偏極電子の供給効率が増加することを意味する。   In particular, as shown in FIG. 15, the first magnetization fixed layers 1a and 1b (20a and 20b) are preferably provided outside the conductive layers 30a and 30b. That is, the first magnetization fixed layer 1a (20a) is disposed away from the magnetization free layer 2 in the −X direction, and the second magnetization fixed layer 1b (20b) is disposed away from the magnetization free layer 2 in the + X direction. The In that case, the same effect as the “protruding portion Pb” shown in FIGS. 6A to 6C is obtained. In the example shown in FIG. 3, the magnetization MC having a component in the −X direction is almost eliminated, and conversely, the magnetization MB having a component in the + X direction is increased. Further, the + X direction component itself of the magnetization MB also increases. These mean that the supply efficiency of + X direction spin-polarized electrons is increased.

図16は、磁化自由層2の磁化状態の一例を示している。データ書き込み時、書き込み電流は、導電層30a、30bの一方から他方へ磁化自由層2を通って流される。この時、導電層30は、書き込み電流の供給による磁化自由層2の温度上昇を防ぐ役割も果たす。図16に示されるように、磁化自由層2の端部において、磁化のX方向成分が強まっている。その結果、既出の実施の形態と比較して、X方向スピン偏極電子の供給効率が増加する。従って、書き込み電流を更に低減することが可能となる。   FIG. 16 shows an example of the magnetization state of the magnetization free layer 2. When writing data, a write current is passed through the magnetization free layer 2 from one of the conductive layers 30a and 30b to the other. At this time, the conductive layer 30 also serves to prevent the temperature rise of the magnetization free layer 2 due to the supply of the write current. As shown in FIG. 16, the X direction component of magnetization is strengthened at the end of the magnetization free layer 2. As a result, the supply efficiency of the X-direction spin-polarized electrons is increased as compared with the above-described embodiment. Therefore, the write current can be further reduced.

5.第5の実施の形態
第5の実施の形態において、既出の実施の形態における構成と同じ構成には同一の符号が付され、重複する説明は適宜省略される。
5. Fifth Embodiment In the fifth embodiment, the same reference numerals are given to the same components as those in the above-described embodiments, and overlapping descriptions are omitted as appropriate.

図17は、第5の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の構造を概略的に示す側面図である。本実施の形態によれば、磁気抵抗効果素子の近傍にアシスト配線40が設けられている。データ書き込み時、このアシスト配線には所定の電流が流れ、それによりアシスト磁界が発生する。そのアシスト磁界は、磁化自由層2に印加され、磁壁の移動をアシストする。すなわち、データ書き込み時、磁化自由層2における磁壁移動をアシストするような向きのアシスト磁界が発生するように、アシスト配線に電流が流される。   FIG. 17 is a side view schematically showing the structure of the magnetoresistance effect element according to the fifth exemplary embodiment. According to the present embodiment, the assist wiring 40 is provided in the vicinity of the magnetoresistive effect element. When writing data, a predetermined current flows through the assist wiring, thereby generating an assist magnetic field. The assist magnetic field is applied to the magnetization free layer 2 to assist the movement of the domain wall. That is, when writing data, a current is passed through the assist wiring so that an assist magnetic field is generated in such a direction as to assist the domain wall movement in the magnetization free layer 2.

例えば図17において、Y方向に延びるアシスト配線40が、磁気抵抗効果素子の磁化自由層2の下方に配置されている。磁壁を+X方向に移動させる際、アシスト配線40には+Y方向の電流が流される。その結果、+X方向のアシスト磁界が、磁化自由層2に印加されることになる。そのアシスト磁界により磁化自由層2の磁化は+X方向に向きやすくなる、すなわち、アシスト磁界によって+X方向への磁壁移動がアシストされる。逆に、磁壁を−X方向に移動させる際、アシスト配線40には−Y方向の電流が流される。尚、アシスト配線40の位置や本数は、図17に示されたものに限られない。   For example, in FIG. 17, an assist wiring 40 extending in the Y direction is disposed below the magnetization free layer 2 of the magnetoresistive effect element. When moving the domain wall in the + X direction, a current in the + Y direction flows through the assist wiring 40. As a result, an assist magnetic field in the + X direction is applied to the magnetization free layer 2. The magnetization of the magnetization free layer 2 is easily oriented in the + X direction by the assist magnetic field, that is, the domain wall movement in the + X direction is assisted by the assist magnetic field. On the contrary, when the domain wall is moved in the −X direction, a current in the −Y direction flows through the assist wiring 40. The position and the number of the assist wirings 40 are not limited to those shown in FIG.

このように、本実施の形態によれば、磁化自由層2に対する書き込み電流の供給と同時に、アシスト配線40により生成されるアシスト磁界が、磁化自由層2に印加される。そのアシスト磁界によって磁壁移動がアシストされるため、磁化自由層2に供給すべき書き込み電流の量を低減することが可能となる。すなわち、磁壁移動に最低限必要な書き込み電流の値が小さくなる。これは、書き込みマージンが広くなることを意味する。   Thus, according to the present embodiment, the assist magnetic field generated by the assist wiring 40 is applied to the magnetization free layer 2 simultaneously with the supply of the write current to the magnetization free layer 2. Since the domain wall motion is assisted by the assist magnetic field, the amount of write current to be supplied to the magnetization free layer 2 can be reduced. That is, the value of the write current that is minimum required for the domain wall motion is reduced. This means that the write margin is widened.

図18は、アシスト配線40のレイアウトの一例を示している。図18において、アシスト配線40は、図11A及び図11Bで示された2層間に配置されている。このアシスト配線40はY方向に延びるように形成されており、Y方向に沿って配置された一列の磁気メモリセルに対して共通に設けられている。   FIG. 18 shows an example of the layout of the assist wiring 40. In FIG. 18, the assist wiring 40 is arranged between the two layers shown in FIGS. 11A and 11B. The assist wiring 40 is formed so as to extend in the Y direction, and is provided in common to a row of magnetic memory cells arranged along the Y direction.

図19は、アシスト配線40のレイアウトの他の例を示している。図19において、アシスト配線40は、一方の第1磁化固定層1b(20b)に接続されている。この場合、アシスト配線40は、アシスト磁界を発生させるだけでなく、磁化自由層2に書き込み電流を供給する役割をも果たす。逆に言えば、書き込み電流を供給するための配線が、アシスト配線40として併用されている。データ書き込み時、書き込み電流は、アシスト配線40を通して第1磁化固定層1bに供給される、又は、そこから引き抜かれる。同時に、その書き込み電流によって生成されたアシスト磁界が、磁化自由層2に印加される。このような構成により、配線数を削減し、回路面積を縮小することが可能となる。   FIG. 19 shows another example of the layout of the assist wiring 40. In FIG. 19, the assist wiring 40 is connected to one first magnetization fixed layer 1b (20b). In this case, the assist wiring 40 not only generates an assist magnetic field but also serves to supply a write current to the magnetization free layer 2. In other words, a wiring for supplying a write current is also used as the assist wiring 40. At the time of data writing, the write current is supplied to or extracted from the first magnetization fixed layer 1b through the assist wiring 40. At the same time, an assist magnetic field generated by the write current is applied to the magnetization free layer 2. With such a configuration, the number of wirings can be reduced and the circuit area can be reduced.

図20A及び図20Bは、アシスト配線40の変形例を示している。図20A及び図20Bに示されるアシスト配線40は、ヨーク構造を有している。すなわち、アシスト配線40の面のうち、磁化自由層2と対向していない面の一部が、磁性体41によって覆われている。図20Aにおいては、アシスト配線40の底面が磁性体41で覆われており、図20Bにおいては、アシスト配線40の側面及び底面が磁性体41で覆われている。このようなヨーク構造によってアシスト磁界が増大し、書き込み電流を更に低減することが可能となる。   20A and 20B show a modified example of the assist wiring 40. The assist wiring 40 shown in FIGS. 20A and 20B has a yoke structure. That is, a part of the surface of the assist wiring 40 that is not opposed to the magnetization free layer 2 is covered with the magnetic body 41. 20A, the bottom surface of the assist wiring 40 is covered with a magnetic body 41, and in FIG. 20B, the side surface and the bottom surface of the assist wiring 40 are covered with a magnetic body 41. With such a yoke structure, the assist magnetic field is increased, and the write current can be further reduced.

図1Aは、本発明の第1の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の構造を概略的に示す側面図である。FIG. 1A is a side view schematically showing the structure of the magnetoresistive effect element according to the first exemplary embodiment of the present invention. 図1Bは、本発明の第1の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の構造を概略的に示す平面図である。FIG. 1B is a plan view schematically showing the structure of the magnetoresistance effect element according to the first exemplary embodiment of the present invention. 図2は、第1の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子に対するデータ書き込みを説明するための図である。FIG. 2 is a diagram for explaining data writing to the magnetoresistive effect element according to the first embodiment. 図3は、第1の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子に対するデータ書き込みを説明するための図である。FIG. 3 is a diagram for explaining data writing to the magnetoresistive effect element according to the first embodiment. 図4は、第1の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の第1磁化固定層の形状の例を示す平面図である。FIG. 4 is a plan view showing an example of the shape of the first magnetization fixed layer of the magnetoresistive effect element according to the first embodiment. 図5Aは、第1の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の磁化自由層の形状の例を示す平面図である。FIG. 5A is a plan view showing an example of the shape of the magnetization free layer of the magnetoresistance effect element according to the first exemplary embodiment. 図5Bは、第1の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の磁化自由層の形状の他の例を示す平面図である。FIG. 5B is a plan view showing another example of the shape of the magnetization free layer of the magnetoresistance effect element according to the first exemplary embodiment. 図5Cは、第1の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の磁化自由層の形状の更に他の例を示す平面図である。FIG. 5C is a plan view illustrating still another example of the shape of the magnetization free layer of the magnetoresistance effect element according to the first exemplary embodiment. 図6Aは、第1の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の第1磁化固定層と磁化自由層との位置関係の例を示す平面図である。FIG. 6A is a plan view showing an example of a positional relationship between the first magnetization fixed layer and the magnetization free layer of the magnetoresistance effect element according to the first exemplary embodiment. 図6Bは、第1の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の第1磁化固定層と磁化自由層との位置関係の他の例を示す平面図である。FIG. 6B is a plan view showing another example of the positional relationship between the first magnetization fixed layer and the magnetization free layer of the magnetoresistance effect element according to the first exemplary embodiment. 図6Cは、第1の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の第1磁化固定層と磁化自由層との位置関係の更に他の例を示す平面図である。FIG. 6C is a plan view illustrating still another example of the positional relationship between the first magnetization fixed layer and the magnetization free layer of the magnetoresistive effect element according to the first embodiment. 図7Aは、第1の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の変形例を示す側面図である。FIG. 7A is a side view showing a modification of the magnetoresistive effect element according to the first exemplary embodiment. 図7Bは、第1の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の他の変形例を示す側面図である。FIG. 7B is a side view showing another modification of the magnetoresistive effect element according to the first exemplary embodiment. 図7Cは、第1の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の更に他の変形例を示す側面図である。FIG. 7C is a side view showing still another modified example of the magnetoresistance effect element according to the first exemplary embodiment. 図7Dは、第1の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の更に他の変形例を示す側面図である。FIG. 7D is a side view showing still another modification of the magnetoresistance effect element according to the first exemplary embodiment. 図8は、本発明の実施の形態に係る磁気メモリセルの構成を概略的に示す回路図である。FIG. 8 is a circuit diagram schematically showing the configuration of the magnetic memory cell according to the embodiment of the present invention. 図9は、本発明の実施の形態に係るMRAMの構成を概略的に示す回路図である。FIG. 9 is a circuit diagram schematically showing a configuration of the MRAM according to the embodiment of the present invention. 図10は、本発明の実施の形態に係る磁気メモリセルの構造を示す断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view showing the structure of the magnetic memory cell according to the embodiment of the present invention. 図11Aは、図10中の層LAにおける構造を示す平面図である。FIG. 11A is a plan view showing a structure in the layer LA in FIG. 図11Bは、図10中の層LBにおける構造を示す平面図である。FIG. 11B is a plan view showing the structure of the layer LB in FIG. 図11Cは、図10中の層LCにおける構造を示す平面図である。FIG. 11C is a plan view showing the structure of the layer LC in FIG. 図11Dは、図10中の層LDにおける構造を示す平面図である。FIG. 11D is a plan view showing the structure of the layer LD in FIG. 図11Eは、図10中の層LEにおける構造を示す平面図である。FIG. 11E is a plan view showing the structure of the layer LE in FIG. 図12は、本発明の第2の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の構造を概略的に示す側面図である。FIG. 12 is a side view schematically showing the structure of the magnetoresistive element according to the second embodiment of the invention. 図13は、本発明の第3の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の構造を概略的に示す側面図である。FIG. 13 is a side view schematically showing the structure of a magnetoresistive element according to the third embodiment of the invention. 図14は、第3の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子に対するデータ書き込みを説明するための図である。FIG. 14 is a diagram for explaining data writing to the magnetoresistive effect element according to the third embodiment. 図15は、本発明の第4の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の構造を概略的に示す側面図である。FIG. 15 is a side view schematically showing the structure of the magnetoresistive element according to the fourth embodiment of the invention. 図16は、第4の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子に対するデータ書き込みを説明するための図である。FIG. 16 is a diagram for explaining data writing to the magnetoresistive effect element according to the fourth embodiment. 図17は、本発明の第5の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の構造を概略的に示す側面図である。FIG. 17 is a side view schematically showing the structure of the magnetoresistive element according to the fifth embodiment of the invention. 図18は、第5の実施の形態におけるアシスト配線のレイアウト例を示す平面図である。FIG. 18 is a plan view showing a layout example of the assist wiring in the fifth embodiment. 図19は、第5の実施の形態におけるアシスト配線の他のレイアウト例を示す平面図である。FIG. 19 is a plan view showing another layout example of the assist wiring in the fifth embodiment. 図20Aは、第5の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の変形例を示す側面図である。FIG. 20A is a side view showing a modification of the magnetoresistance effect element according to the fifth exemplary embodiment. 図20Bは、第5の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の他の変形例を示す側面図である。FIG. 20B is a side view showing another modification of the magnetoresistance effect element according to the fifth exemplary embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1,1a,1b 第1磁化固定層
2 磁化自由層(フリー層)
3 トンネルバリヤ層
4 第2磁化固定層(ピン層)
10,10a,10b 選択トランジスタ
11,11a,11b ビット線
12 ワード線
13 アース線
14 メタル層
15 ビア
16 半導体基板
17 素子分離構造
18 拡散層
19 電極層
20 第1磁化固定層
30 導電層
40 アシスト配線
41 磁性体
100 MRAM
110 磁気メモリセル
120 Xセレクタ
130 Yセレクタ
140 Y側電流終端回路
DW 磁壁
1, 1a, 1b First magnetization fixed layer 2 Magnetization free layer (free layer)
3 Tunnel barrier layer 4 Second magnetization fixed layer (pinned layer)
10, 10a, 10b Select transistor 11, 11a, 11b Bit line 12 Word line 13 Ground line 14 Metal layer 15 Via 16 Semiconductor substrate 17 Element isolation structure 18 Diffusion layer 19 Electrode layer 20 First magnetization fixed layer 30 Conductive layer 40 Assist wiring 41 Magnetic body 100 MRAM
110 Magnetic Memory Cell 120 X Selector 130 Y Selector 140 Y Side Current Termination Circuit DW Domain Wall

Claims (18)

磁化の向きが固定された少なくとも2つの第1磁化固定層と、
第1平面上に形成され、磁化の向きが可変な磁化自由層と、
非磁性層を介して前記磁化自由層に接続され、磁化の向きが固定された第2磁化固定層と
を備え、
前記2つの第1磁化固定層は、前記磁化自由層を挟んで前記第2磁化固定層と対向するように配置され、また、前記磁化自由層と磁気的に結合しており、
前記2つの第1磁化固定層の磁化は共に、前記第1平面に直角な第1方向の成分を有し、
データ書き込み時、書き込み電流が、前記第1平面内において、前記磁化自由層の一端から他端に流される
磁気抵抗効果素子。
At least two first magnetization fixed layers having fixed magnetization directions;
A magnetization free layer formed on the first plane and having a variable magnetization direction;
A second magnetization fixed layer connected to the magnetization free layer via a nonmagnetic layer and having a magnetization direction fixed;
The two first magnetization fixed layers are disposed so as to face the second magnetization fixed layer with the magnetization free layer interposed therebetween, and are magnetically coupled to the magnetization free layer,
Both the magnetizations of the two first magnetization fixed layers have a component in a first direction perpendicular to the first plane,
A magnetoresistive element in which a write current is caused to flow from one end to the other end of the magnetization free layer in the first plane during data writing.
請求項1に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記2つの第1磁化固定層の一方は、前記磁化自由層の前記一端の側に配置され、
前記2つの第1磁化固定層の他方は、前記磁化自由層の前記他端の側に配置され、
前記一方の第1磁化固定層の磁化は、前記磁化自由層の磁化に対して、前記第1方向に直角な第2方向の磁気力を与え、
前記他方の第1磁化固定層の磁化は、前記磁化自由層の磁化に対して、前記第2方向と反平行な第3方向の磁気力を与える
磁気抵抗効果素子。
The magnetoresistive element according to claim 1,
One of the two first magnetization fixed layers is disposed on the one end side of the magnetization free layer,
The other of the two first magnetization fixed layers is disposed on the other end side of the magnetization free layer,
The magnetization of the one first magnetization fixed layer gives a magnetic force in a second direction perpendicular to the first direction to the magnetization of the magnetization free layer,
Magnetization of the other first magnetization fixed layer gives a magnetic force in a third direction antiparallel to the second direction to the magnetization of the magnetization free layer.
請求項2に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記一方の第1磁化固定層は、前記磁化自由層の前記一端に接続されており、
前記他方の第1磁化固定層は、前記磁化自由層の前記他端に接続されている
磁気抵抗効果素子。
The magnetoresistive effect element according to claim 2,
The one first magnetization fixed layer is connected to the one end of the magnetization free layer,
The other first magnetization fixed layer is connected to the other end of the magnetization free layer.
請求項2に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記一方の第1磁化固定層は、第1導電層を介して、前記磁化自由層の前記一端に接続されており、
前記他方の第1磁化固定層は、第2導電層を介して、前記磁化自由層の前記他端に接続されている
磁気抵抗効果素子。
The magnetoresistive effect element according to claim 2,
The one first magnetization fixed layer is connected to the one end of the magnetization free layer through a first conductive layer,
The other first magnetization fixed layer is connected to the other end of the magnetization free layer via a second conductive layer.
請求項3又は4に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記データ書き込み時、前記書き込み電流は、前記一方の第1磁化固定層から前記磁化自由層を通って前記他方の第1磁化固定層に流れる
磁気抵抗効果素子。
The magnetoresistive effect element according to claim 3 or 4,
At the time of data writing, the write current flows from the one first magnetization fixed layer to the other first magnetization fixed layer through the magnetization free layer.
請求項3乃至5のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第1方向から見た場合、
前記一方の第1磁化固定層の平面形状は、前記他端から離れる方向に、前記磁化自由層の平面形状の外にはみ出しており、
前記他方の第1磁化固定層の平面形状は、前記一端から離れる方向に、前記磁化自由層の平面形状の外にはみ出している
磁気抵抗効果素子。
The magnetoresistive effect element according to any one of claims 3 to 5,
When viewed from the first direction,
The planar shape of the one first magnetization fixed layer protrudes outside the planar shape of the magnetization free layer in a direction away from the other end,
A magnetoresistive effect element, wherein the planar shape of the other first magnetization fixed layer protrudes from the planar shape of the magnetization free layer in a direction away from the one end.
請求項2に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記2つの第1磁化固定層は、前記磁化自由層から離れて配置されている
磁気抵抗効果素子。
The magnetoresistive effect element according to claim 2,
The two first magnetization fixed layers are arranged away from the magnetization free layer. Magnetoresistive effect element.
請求項7に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記一方の第1磁化固定層は、前記他端から離れる方向に、前記磁化自由層から離れて配置され、
前記他方の第1磁化固定層は、前記一端から離れる方向に、前記磁化自由層から離れて配置されている
磁気抵抗効果素子。
The magnetoresistive element according to claim 7,
The one first magnetization fixed layer is disposed away from the magnetization free layer in a direction away from the other end,
The other first magnetization fixed layer is disposed away from the magnetization free layer in a direction away from the one end. Magnetoresistive element.
請求項7又は8に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記磁化自由層の前記一端に接続された第1導電層と、
前記磁化自由層の前記他端に接続された第2導電層と
を更に備え、
前記データ書き込み時、前記書き込み電流は、前記第1導電層から前記磁化自由層を通って前記第2導電層に流れる
磁気抵抗効果素子。
The magnetoresistive effect element according to claim 7 or 8,
A first conductive layer connected to the one end of the magnetization free layer;
A second conductive layer connected to the other end of the magnetization free layer,
When writing data, the write current flows from the first conductive layer through the magnetization free layer to the second conductive layer.
請求項2乃至9のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記2つの第1磁化固定層は、前記磁化自由層に近づくにつれて拡がるテーパー構造を有している
磁気抵抗効果素子。
The magnetoresistive effect element according to any one of claims 2 to 9,
The two first magnetization fixed layers have a taper structure that expands toward the magnetization free layer. Magnetoresistive element.
請求項2乃至9のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記2つの第1磁化固定層は、長手方向が前記第1平面に対して斜めになるように形成されている
磁気抵抗効果素子。
The magnetoresistive effect element according to any one of claims 2 to 9,
The two first magnetization fixed layers are formed such that a longitudinal direction is inclined with respect to the first plane.
請求項2乃至9のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記磁化自由層は、前記2つの第1磁化固定層に近づくにつれて拡がるテーパー構造を有している
磁気抵抗効果素子。
The magnetoresistive effect element according to any one of claims 2 to 9,
The magnetization free layer has a taper structure that expands toward the two first magnetization fixed layers. Magnetoresistive element.
請求項1乃至12のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記2つの第1磁化固定層は、前記第1方向に形状磁気異方性を有する
磁気抵抗効果素子。
The magnetoresistive effect element according to any one of claims 1 to 12,
The two first magnetization fixed layers have a magnetoresistive effect in the first direction.
請求項1乃至12のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記2つの第1磁化固定層は、前記第1方向に結晶磁気異方性を有する
磁気抵抗効果素子。
The magnetoresistive effect element according to any one of claims 1 to 12,
The two first magnetization fixed layers have magnetocrystalline anisotropy in the first direction.
請求項1乃至14のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記磁化自由層は、
前記一端と前記他端との中央に対して前記一端側に位置し、前記中央での断面積と異なる断面積を有する第1領域と、
前記中央に対して前記他端側に位置し、前記中央での断面積と異なる断面積を有する第2領域と
を含む
磁気抵抗効果素子。
The magnetoresistive effect element according to any one of claims 1 to 14,
The magnetization free layer is
A first region located on the one end side with respect to the center of the one end and the other end and having a cross-sectional area different from the cross-sectional area at the center;
A magnetoresistive effect element including: a second region located on the other end side with respect to the center and having a cross-sectional area different from the cross-sectional area at the center.
アレイ状に配置された複数の磁気メモリセルを具備し、
前記複数の磁気メモリセルの各々は、
請求項1乃至15のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子と、
前記データ書き込み時、前記書き込み電流を前記磁化自由層に供給するためのトランジスタと
を備える
MRAM。
Comprising a plurality of magnetic memory cells arranged in an array;
Each of the plurality of magnetic memory cells includes:
A magnetoresistive effect element according to any one of claims 1 to 15,
A transistor for supplying the write current to the magnetization free layer when the data is written;
請求項16に記載のMRAMであって、
前記データ書き込み時、前記書き込み電流の供給と同時に、外部磁界が前記磁化自由層に印加される
MRAM。
The MRAM according to claim 16, wherein
An MRAM in which an external magnetic field is applied to the magnetization free layer simultaneously with the supply of the write current during the data writing.
請求項17に記載のMRAMであって、
前記磁化自由層に対して前記書き込み電流を供給するための配線を更に具備し、
前記データ書き込み時、前記配線を流れる前記書き込み電流により、前記外部磁界が同時に生成される
MRAM。
The MRAM according to claim 17, wherein
A wiring for supplying the write current to the magnetization free layer;
The MRAM in which the external magnetic field is generated simultaneously by the write current flowing through the wiring during the data writing.
JP2006334258A 2006-12-12 2006-12-12 Magnetoresistance effect element, and mram Withdrawn JP2008147488A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006334258A JP2008147488A (en) 2006-12-12 2006-12-12 Magnetoresistance effect element, and mram

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006334258A JP2008147488A (en) 2006-12-12 2006-12-12 Magnetoresistance effect element, and mram

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2008147488A true JP2008147488A (en) 2008-06-26

Family

ID=39607311

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006334258A Withdrawn JP2008147488A (en) 2006-12-12 2006-12-12 Magnetoresistance effect element, and mram

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2008147488A (en)

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009104427A1 (en) * 2008-02-19 2009-08-27 日本電気株式会社 Magnetic random access memory
WO2010013566A1 (en) * 2008-07-31 2010-02-04 日本電気株式会社 Magnetoresistive element, magnetic random access memory, and initialization method thereof
WO2012002156A1 (en) * 2010-06-29 2012-01-05 日本電気株式会社 Magnetic memory element, magnetic memory
JP2012039009A (en) * 2010-08-10 2012-02-23 Renesas Electronics Corp Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device
US8149615B2 (en) 2008-02-19 2012-04-03 Nec Corporation Magnetic random access memory
JP2012204802A (en) * 2011-03-28 2012-10-22 Toshiba Corp Magnetic storage element, magnetic storage device and magnetic memory
JP2013175756A (en) * 2013-04-08 2013-09-05 Toshiba Corp Magnetic storage element, magnetic storage device and magnetic memory
EP2665104A1 (en) * 2012-05-18 2013-11-20 Samsung Electronics Co., Ltd Magnetoresistive elements and memory devices including the same
US8592930B2 (en) 2009-10-26 2013-11-26 Nec Corporation Magnetic memory element, magnetic memory and initializing method
WO2016182085A1 (en) * 2015-05-14 2016-11-17 国立大学法人東北大学 Magnetoresistive effect element and magnetic memory device
CN113346009A (en) * 2016-10-27 2021-09-03 Tdk株式会社 Spin orbit torque type magnetoresistance effect element and method for manufacturing the same

Cited By (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5299642B2 (en) * 2008-02-19 2013-09-25 日本電気株式会社 Magnetic random access memory
WO2009104427A1 (en) * 2008-02-19 2009-08-27 日本電気株式会社 Magnetic random access memory
US8149615B2 (en) 2008-02-19 2012-04-03 Nec Corporation Magnetic random access memory
US8159872B2 (en) 2008-02-19 2012-04-17 Nec Corporation Magnetic random access memory
WO2010013566A1 (en) * 2008-07-31 2010-02-04 日本電気株式会社 Magnetoresistive element, magnetic random access memory, and initialization method thereof
US8592930B2 (en) 2009-10-26 2013-11-26 Nec Corporation Magnetic memory element, magnetic memory and initializing method
US8791534B2 (en) 2010-06-29 2014-07-29 Nec Corporation Magnetic memory device and magnetic memory
WO2012002156A1 (en) * 2010-06-29 2012-01-05 日本電気株式会社 Magnetic memory element, magnetic memory
JP2012039009A (en) * 2010-08-10 2012-02-23 Renesas Electronics Corp Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device
JP2012204802A (en) * 2011-03-28 2012-10-22 Toshiba Corp Magnetic storage element, magnetic storage device and magnetic memory
EP2665104A1 (en) * 2012-05-18 2013-11-20 Samsung Electronics Co., Ltd Magnetoresistive elements and memory devices including the same
KR101909201B1 (en) 2012-05-18 2018-10-17 삼성전자 주식회사 Magnetoresistive element and memory device including the same
US8836057B2 (en) 2012-05-18 2014-09-16 Samsung Electronics Co., Ltd. Magnetoresistive elements having protrusion from free layer and memory devices including the same
JP2013175756A (en) * 2013-04-08 2013-09-05 Toshiba Corp Magnetic storage element, magnetic storage device and magnetic memory
WO2016182085A1 (en) * 2015-05-14 2016-11-17 国立大学法人東北大学 Magnetoresistive effect element and magnetic memory device
JPWO2016182085A1 (en) * 2015-05-14 2018-04-12 国立大学法人東北大学 Magnetoresistive element and magnetic memory device
US10410703B2 (en) 2015-05-14 2019-09-10 Tohoku University Magnetoresistance effect element and magnetic memory device
CN113346009A (en) * 2016-10-27 2021-09-03 Tdk株式会社 Spin orbit torque type magnetoresistance effect element and method for manufacturing the same
CN113346009B (en) * 2016-10-27 2024-04-02 Tdk株式会社 Spin orbit torque type magneto-resistance effect element and method for manufacturing the same

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5201536B2 (en) Magnetoresistive element and MRAM
KR100579686B1 (en) Magnetic memory device
JP2008147488A (en) Magnetoresistance effect element, and mram
JP5468262B2 (en) Magnetoresistive tunnel junction element and its application to MRAM
JP6090800B2 (en) Magnetoresistive element and magnetic memory
US7929342B2 (en) Magnetic memory cell, magnetic random access memory, and data read/write method for magnetic random access memory
JP5360599B2 (en) Magnetoresistive element and magnetic random access memory
JP5146836B2 (en) Magnetic random access memory and manufacturing method thereof
US8787076B2 (en) Magnetic memory and method of manufacturing the same
US8514616B2 (en) Magnetic memory element and magnetic memory
US7848137B2 (en) MRAM and data read/write method for MRAM
JP2010114143A (en) Semiconductor memory device, and method of manufacturing the same
JP2011210830A (en) Magnetic storage element and magnetic storage apparatus
KR20030085496A (en) Magneto resistive storage device having a magnetic field sink layer
JP3906172B2 (en) Magnetic random access memory and manufacturing method thereof
US20100032737A1 (en) Nano-magnetic memory device and method of manufacturing the device
JP3949900B2 (en) Magnetic storage element, magnetic storage device, and portable terminal device
US20060274568A1 (en) Magnetic random access memory
JP2011253884A (en) Magnetic memory device
JP3866110B2 (en) Magnetic memory
JP2009146995A (en) Magnetic memory device
JP2008047840A (en) Magnetoresistive effect element, magnetic random access memory, and manufacturing method thereof
JP4952053B2 (en) Magnetic storage
JP4521354B2 (en) Magnetic random access memory

Legal Events

Date Code Title Description
A300 Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300

Effective date: 20100302