JP2008187048A - Magnetoresistive effect element - Google Patents

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Masahisa Yoshikawa
将寿 吉川
Eiji Kitagawa
英二 北川
Naoharu Shimomura
尚治 下村
Sumio Ikegawa
純夫 池川
Tatsuya Kishi
達也 岸
Hiroaki Yoda
博明 與田
Tomomasa Ueda
知正 上田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To achieve both reduction in writing currents and improvement in MR ratio at reading. <P>SOLUTION: The magnetoresistive effect element comprises first and second ferromagnetic layers 11A and 11B of which magnetizing directions are fixed mutually opposite; a third ferromagnetic layer 12, which is arranged between the first and second ferromagnetic layers 11A and 11B with magnetizing direction changing; a first non magnetic layer 13A arranged between the first ferromagnetic layer 11A and the third ferromagnetic layer 12; and a second non magnetic layer 13B arranged between the second ferromagnetic layer 11B and the third ferromagnetic layer 12. When a reading voltage Ir is biased, MR ratio of a first unit U1 is in inverse state, while the MR ratio of a second unit U2 is in normal state. When writing voltages Iw"0" and Iw"1" are biased, the MR ratio of the first and second units U1 and U2 are both in the normal state. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、デュアルピン構造の磁気抵抗効果素子に関する。   The present invention relates to a magnetoresistive effect element having a dual pin structure.

近年、新しい原理に基づいてデータを記憶するメモリ素子が多数提案されている。そのなかでも、トンネル磁気抵抗効果(TMR: Tunneling Magneto Resistive)を利用する磁気抵抗効果素子(magneto-resistive element)は、磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM: Magnetic Random Access Memory)のメモリセルや、リコンフィギャブル(reconfigurable)なロジック回路を構成するFET(Field Effect Transistor)などへの応用が期待されている(例えば、特許文献1及び非特許文献1参照)。   In recent years, a large number of memory elements that store data based on a new principle have been proposed. Among them, magneto-resistive elements (TMR: Tunneling Magneto Resistive) use magneto-resistive elements (MRAM: Magnetic Random Access Memory) and reconfigurable memory cells. Application to FETs (Field Effect Transistors) constituting a (reconfigurable) logic circuit is expected (see, for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1).

磁気抵抗効果素子の基本構造は、磁化方向が固定されるピンド層(pinned layer)と、磁化方向が変化するフリー層(free layer)と、それらの間のトンネルバリア層(tunneling barrier layer)とから構成される。そして、ピンド層とフリー層の磁化方向の相対関係、即ち、両者の磁化方向が同じ(平行)か、又は、逆(反平行)かによってデータを記憶する。   The basic structure of the magnetoresistive element is composed of a pinned layer in which the magnetization direction is fixed, a free layer in which the magnetization direction changes, and a tunneling barrier layer between them. Composed. Then, data is stored depending on the relative relationship between the magnetization directions of the pinned layer and the free layer, that is, whether the magnetization directions of the both are the same (parallel) or opposite (antiparallel).

ここで、磁気抵抗効果素子に対するデータの書き込みについては、素子の微細化と書き込み電流(スピン注入電流)の低電流化との両立を図れるスピン角運動量移動(SMT: Spin Momentum Transfer)書き込み方式(以下、スピン注入書き込み方式)が有力である。   Here, for writing data to magnetoresistive effect elements, spin angular momentum transfer (SMT) writing method (hereinafter referred to as “Spin Momentum Transfer”) (hereinafter referred to as “Spin Momentum Transfer”) is possible. , Spin injection writing method) is effective.

スピン注入書き込み(spin injection writing)方式では、フリー層の磁化方向を反転させるために必要な書き込み電流Icは、電流密度で規定される。フリー層の磁化方向を反転させるために必要な電流密度は、臨界電流密度Jcと呼ばれ、書き込み時には、これを超える密度の書き込み電流Icが必要とされる。   In the spin injection writing method, the write current Ic necessary for reversing the magnetization direction of the free layer is defined by the current density. The current density necessary for reversing the magnetization direction of the free layer is called a critical current density Jc, and a writing current Ic exceeding the density is required at the time of writing.

スピン注入書き込み方式の利点は、臨界電流密度Jcを一定とすると、磁気抵抗効果素子のサイズが小さくなるに従い、書き込み電流Icの値も小さくなる、という点にある。このため、原理的には、スケーラビリティ(scalability)に優れ、例えば、256メガビットを超えるような大容量の磁気ランダムアクセスメモリの実現も不可能ではない。   The advantage of the spin injection writing method is that when the critical current density Jc is constant, the value of the write current Ic decreases as the size of the magnetoresistive element decreases. For this reason, in principle, it is excellent in scalability, and for example, it is not impossible to realize a large-capacity magnetic random access memory exceeding 256 megabits.

しかし、そのために解決しなければならない課題も多い。   However, there are many problems that must be solved for this purpose.

その一つに臨界電流密度Jcの低減がある。これが低減されない限り、磁気抵抗効果素子のサイズを一定としたときの書き込み電流Icの低減はあり得ないからである。   One of them is reduction of critical current density Jc. This is because unless this is reduced, the write current Ic cannot be reduced when the size of the magnetoresistive element is constant.

そこで考案された技術がデュアルピン構造である。   The technology devised there is a dual pin structure.

デュアルピン構造とは、フリー層の両側にそれぞれ非磁性層(例えば、トンネルバリア層)を介してピンド層を設ける構造のことである。この構造によれば、書き込み時に、スピン偏極された電子が2つのピンド層からフリー層に注入されるため、ピンド層が1つの基本構造に比べて、臨界電流密度Jcを1/2又はそれ以下にすることができる。   The dual pin structure is a structure in which a pinned layer is provided on both sides of a free layer via a nonmagnetic layer (for example, a tunnel barrier layer). According to this structure, at the time of writing, spin-polarized electrons are injected from the two pinned layers into the free layer, so that the critical current density Jc is 1/2 or more compared to the basic structure in which the pinned layer is one. It can be:

ところが、デュアルピン構造は、磁気抵抗効果素子のMR(magneto-resistive)比の低下、という新たな問題を発生させる。即ち、読み出し時に、”0”-データの抵抗値と”1”-データの抵抗値との間に十分なマージンを確保することができなくなる。
米国特許第6,256,223号明細書 C. Slonczewski, “Current-driven ecitation of magnetic multilayers”, JORNAL OF MAGNETISM AND MAGNETIC MATERIALS, VOLUME 159, 1996, p.L1-L7
However, the dual pin structure causes a new problem that the MR (magneto-resistive) ratio of the magnetoresistive element is lowered. That is, at the time of reading, a sufficient margin cannot be secured between the resistance value of “0” -data and the resistance value of “1” -data.
U.S. Patent 6,256,223 C. Slonczewski, “Current-driven ecitation of magnetic multilayers”, JORNAL OF MAGNETISM AND MAGNETIC MATERIALS, VOLUME 159, 1996, p.L1-L7

本発明の例では、デュアルピン構造の磁気抵抗効果素子において、書き込み電流の低減と読み出し時のMR比の向上との両立を可能にする技術を提案する。   In the example of the present invention, a technique is proposed that enables a reduction in write current and an improvement in MR ratio at the time of reading in a magnetoresistive element having a dual pin structure.

本発明の例に関わる磁気抵抗効果素子は、磁化方向が互いに逆向きに固定される第1及び第2強磁性層と、第1及び第2強磁性層の間に配置され、磁化方向が変化する第3強磁性層と、第1及び第3強磁性層の間に配置される第1非磁性層と、第2及び第3強磁性層の間に配置される第2非磁性層とを備え、第1及び第2強磁性層の間に読み出し電圧をバイアスしたときに、第1強磁性層、第1非磁性層及び第3強磁性層から構成される第1ユニットのMR比は、インバース状態にあり、第2強磁性層、第2非磁性層及び第3強磁性層から構成される第2ユニットのMR比は、ノーマル状態にあり、第1及び第2強磁性層の間に書き込み電圧をバイアスしたときに、第1及び第2ユニットのMR比は、共に、ノーマル状態又はインバース状態にある。   The magnetoresistive effect element according to the example of the present invention is disposed between the first and second ferromagnetic layers whose magnetization directions are fixed opposite to each other, and the first and second ferromagnetic layers, and the magnetization direction changes. A third ferromagnetic layer, a first nonmagnetic layer disposed between the first and third ferromagnetic layers, and a second nonmagnetic layer disposed between the second and third ferromagnetic layers. When the read voltage is biased between the first and second ferromagnetic layers, the MR ratio of the first unit composed of the first ferromagnetic layer, the first nonmagnetic layer, and the third ferromagnetic layer is The MR ratio of the second unit that is in the inverse state and is composed of the second ferromagnetic layer, the second nonmagnetic layer, and the third ferromagnetic layer is in the normal state, and is between the first and second ferromagnetic layers. When the write voltage is biased, the MR ratios of the first and second units are both normal or inverse. A.

本発明の例に関わる磁気抵抗効果素子は、磁化方向が互いに同じ向きに固定される第1及び第2強磁性層と、第1及び第2強磁性層の間に配置され、磁化方向が変化する第3強磁性層と、第1及び第3強磁性層の間に配置される第1非磁性層と、第2及び第3強磁性層の間に配置される第2非磁性層とを備え、第1及び第2強磁性層の間に読み出し電圧をバイアスしたときに、第1強磁性層、第1非磁性層及び第3強磁性層から構成される第1ユニットのMR比、及び、第2強磁性層、第2非磁性層及び第3強磁性層から構成される第2ユニットのMR比は、共に、ノーマル状態又はインバース状態にあり、第1及び第2強磁性層の間に書き込み電圧をバイアスしたときに、第1ユニットのMR比は、インバース状態にあり、第2ユニットのMR比は、ノーマル状態にある。   The magnetoresistive effect element according to the example of the present invention is disposed between the first and second ferromagnetic layers whose magnetization directions are fixed in the same direction, and the first and second ferromagnetic layers, and the magnetization direction changes. A third ferromagnetic layer, a first nonmagnetic layer disposed between the first and third ferromagnetic layers, and a second nonmagnetic layer disposed between the second and third ferromagnetic layers. An MR ratio of a first unit comprising a first ferromagnetic layer, a first nonmagnetic layer, and a third ferromagnetic layer when a read voltage is biased between the first and second ferromagnetic layers, and The MR ratio of the second unit composed of the second ferromagnetic layer, the second nonmagnetic layer, and the third ferromagnetic layer is in a normal state or an inverse state, and is between the first and second ferromagnetic layers. When the write voltage is biased, the MR ratio of the first unit is in the inverse state, and the second unit R ratio is in a normal state.

本発明の例によれば、デュアルピン構造の磁気抵抗効果素子において、書き込み電流の低減と読み出し時のMR比の向上との両立を図ることができる。   According to the example of the present invention, in a magnetoresistive effect element having a dual pin structure, it is possible to achieve both reduction in write current and improvement in MR ratio at the time of reading.

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

1. 概要
本発明の例では、第1強磁性層(ピンド層)/第1非磁性層/第3強磁性層(フリー層)/第2非磁性層/第2強磁性層(ピンド層)から構成されるデュアルピン構造の磁気抵抗効果素子を対象とする。
1. Overview
In the example of the present invention, it is composed of a first ferromagnetic layer (pinned layer) / first nonmagnetic layer / third ferromagnetic layer (free layer) / second nonmagnetic layer / second ferromagnetic layer (pinned layer). The dual pin structure magnetoresistive effect element.

ここで、/は、その両側に存在する層が互いに接触してスタックされていることを意味するものとする。以下、同じ。   Here, / means that the layers existing on both sides thereof are stacked in contact with each other. same as below.

また、第1強磁性層/第1非磁性層/第3強磁性層を第1ユニットとし、第3強磁性層/第2非磁性層/第2強磁性層を第2ユニットとする。   Further, the first ferromagnetic layer / first nonmagnetic layer / third ferromagnetic layer is defined as a first unit, and the third ferromagnetic layer / second nonmagnetic layer / second ferromagnetic layer is defined as a second unit.

そして、第1及び第2強磁性層の磁化方向が反平行の関係にある場合、磁気抵抗効果素子に読み出し電圧をバイアスしたときの、第1及び第2ユニットのMR比の一方をインバース状態とし、他方をノーマル状態とし、磁気抵抗効果素子に書き込み電圧をバイアスしたときの、第1及び第2ユニットのMR比の両方をノーマル状態又はインバース状態とする。   When the magnetization directions of the first and second ferromagnetic layers are antiparallel, one of the MR ratios of the first and second units when the read voltage is biased to the magnetoresistive effect element is set to the inverse state. The other is set to the normal state, and both the MR ratios of the first and second units when the write voltage is biased to the magnetoresistive effect element are set to the normal state or the inverse state.

また、第1及び第2強磁性層の磁化方向が平行の関係にある場合、磁気抵抗効果素子に読み出し電圧をバイアスしたときの、第1及び第2ユニットのMR比の両方をノーマル状態又はインバース状態とし、磁気抵抗効果素子に書き込み電圧をバイアスしたときの、第1及び第2ユニットのMR比の一方をインバース状態とし、他方をノーマル状態とする。   Further, when the magnetization directions of the first and second ferromagnetic layers are in a parallel relationship, both the MR ratios of the first and second units when the read voltage is biased to the magnetoresistive effect element are in a normal state or an inverse. One of the MR ratios of the first and second units when the write voltage is biased to the magnetoresistive effect element is set to the inverse state, and the other is set to the normal state.

尚、磁化方向が反平行であるとは、第1及び第2強磁性層の磁化方向が逆向き又は実質的に逆向きとみなせる場合の他、両者の磁化方向のなす角度θが90°<θ≦180°の範囲にある場合も含む。   Note that the magnetization direction is antiparallel means that the magnetization direction of the first and second ferromagnetic layers can be regarded as opposite or substantially opposite, and the angle θ between the magnetization directions is 90 ° < Including the case of θ ≦ 180 °.

また、磁化方向が平行であるとは、第1及び第2強磁性層の磁化方向が同じ向き又は実質的に同じ向きとみなせる場合の他、両者の磁化方向のなす角度θが0°≦θ<180°の範囲にある場合も含む。   Further, the parallel magnetization directions mean that the magnetization directions of the first and second ferromagnetic layers can be regarded as the same direction or substantially the same direction, and the angle θ between the magnetization directions is 0 ° ≦ θ Also includes the case of <180 °.

これにより、デュアルピン構造の磁気抵抗効果素子において、書き込み電流の低減と読み出し時のMR比の向上との両立を図ることができる。   Thereby, in the dual-pin structure magnetoresistive effect element, it is possible to achieve both reduction of the write current and improvement of the MR ratio at the time of reading.

2. デュアルピン構造
まず、本発明の例の対象となるデュアルピン構造の磁気抵抗効果素子について説明する。
2. Dual pin structure
First, a dual pin structure magnetoresistive effect element which is an object of an example of the present invention will be described.

図1及び図2は、デュアルピン構造の磁気抵抗効果素子を示している。   1 and 2 show a magnetoresistive effect element having a dual pin structure.

基本構造は、ピンド層11A/スペーサ層13A/フリー層12/スペーサ層13B/ピンド層11Bである。矢印は、磁化の向きを示している。   The basic structure is pinned layer 11A / spacer layer 13A / free layer 12 / spacer layer 13B / pinned layer 11B. Arrows indicate the direction of magnetization.

ピンド層11A,11Bは、強磁性体から構成され、例えば、ピン層(pin layer)としての反強磁性体により磁化方向が固定される。フリー層12は、強磁性体から構成され、書き込み電流(スピン注入電流)により磁化方向が変化する。   The pinned layers 11A and 11B are made of a ferromagnetic material, and the magnetization direction is fixed by, for example, an antiferromagnetic material as a pin layer. The free layer 12 is made of a ferromagnetic material, and the magnetization direction is changed by a write current (spin injection current).

スペーサ層13A,13Bは、非磁性材料から構成される。非磁性材料を絶縁体又は半導体とすれば、スペーサ層13A,13Bは、トンネルバリア層となるため、トンネル磁気抵抗効果を発生させることができる。   The spacer layers 13A and 13B are made of a nonmagnetic material. If the nonmagnetic material is an insulator or a semiconductor, the spacer layers 13A and 13B become tunnel barrier layers, so that a tunnel magnetoresistance effect can be generated.

ピンド層11A,11Bの少なくとも1つに関しては、図3に示すように、SAF(Synthetic anti-ferromagnetic)構造などの磁性層/非磁性層/磁性層構造としてもよいし、図4に示すように、反強磁性層14を付加してもよい。   At least one of the pinned layers 11A and 11B may have a magnetic layer / nonmagnetic layer / magnetic layer structure such as a SAF (Synthetic anti-ferromagnetic) structure as shown in FIG. 3, or as shown in FIG. The antiferromagnetic layer 14 may be added.

フリー層12に関しては、図5に示すように、複数の磁性層の積層構造としてもよいし、図6に示すように、SAF構造などの磁性層/非磁性層/磁性層構造としてもよい。   The free layer 12 may have a laminated structure of a plurality of magnetic layers as shown in FIG. 5, or a magnetic layer / nonmagnetic layer / magnetic layer structure such as a SAF structure as shown in FIG.

スペーサ層13A,13Bに関しては、そのうちの少なくとも1つがトンネルバリア層として機能すれば、残りについては、非磁性材料を導電体としても構わない。   As for the spacer layers 13A and 13B, as long as at least one of them functions as a tunnel barrier layer, the rest may be made of a nonmagnetic material as a conductor.

図1の構造と図2の構造の異なる点は、ピンド層11A,11Bの磁化の向きにある。図1の構造では、ピンド層11A,11Bの磁化方向が互いに逆向きに固定されるのに対し、図2の構造では、ピンド層11A,11Bの磁化方向が互いに同じ向きに固定される。   The difference between the structure of FIG. 1 and the structure of FIG. 2 is the magnetization direction of the pinned layers 11A and 11B. In the structure of FIG. 1, the magnetization directions of the pinned layers 11A and 11B are fixed in opposite directions, whereas in the structure of FIG. 2, the magnetization directions of the pinned layers 11A and 11B are fixed in the same direction.

ピンド層11A,11B及びフリー層12の残留磁化の磁化方向(磁化容易軸方向)は、これらがスタックされる方向(垂直磁化)である。   The magnetization direction of the residual magnetization (the easy axis direction) of the pinned layers 11A and 11B and the free layer 12 is the direction in which they are stacked (perpendicular magnetization).

但し、これに限られることはなく、ピンド層11A,11B及びフリー層12の残留磁化の磁化方向(磁化容易軸方向)を、これらがスタックされる方向に対して垂直な方向(面内磁化)としてもよい。   However, the present invention is not limited to this, and the magnetization direction (magnetization easy axis direction) of the residual magnetizations of the pinned layers 11A and 11B and the free layer 12 is perpendicular to the direction in which they are stacked (in-plane magnetization). It is good.

尚、磁化容易軸方向とは、外部磁界のない状態でマクロな強磁性体の内部エネルギーが最も低くなる自発磁化の方向のことである。また、磁化困難軸方向とは、外部磁界のない状態でマクロな強磁性体の内部エネルギーが最も高くなる自発磁化の方向のことである。   The easy magnetization axis direction is a direction of spontaneous magnetization in which the internal energy of the macro ferromagnet is lowest in the absence of an external magnetic field. Further, the hard axis direction is the direction of spontaneous magnetization in which the internal energy of the macro ferromagnet becomes the highest in the absence of an external magnetic field.

デュアルピン構造によれば、臨界電流密度Jcの低減により、磁気抵抗効果素子のサイズを一定としたときの書き込み電流(スピン注入電流)の低減を図ることができる。   According to the dual pin structure, it is possible to reduce the write current (spin injection current) when the size of the magnetoresistive effect element is constant by reducing the critical current density Jc.

ここで、ピンド層11A/スペーサ層13A/フリー層12を第1ユニットU1とし、フリー層12/スペーサ層13B/ピンド層11Bを第2ユニットU2とする。   Here, pinned layer 11A / spacer layer 13A / free layer 12 is defined as first unit U1, and free layer 12 / spacer layer 13B / pinned layer 11B is defined as second unit U2.

図1の構造では、第1ユニットU1のピンド層11Aの磁化は、紙面上向き、第2ユニットU2のピンド層11Bの磁化は、紙面下向きである。この場合、デュアルピン構造による効果、即ち、書き込み電流の低減を実現できる。   In the structure of FIG. 1, the magnetization of the pinned layer 11A of the first unit U1 is upward on the paper surface, and the magnetization of the pinned layer 11B of the second unit U2 is downward on the paper surface. In this case, the effect of the dual pin structure, that is, reduction of the write current can be realized.

しかし、フリー層12の磁化が紙面下向き(実線)のとき、第1ユニットU1の磁化状態は、反平行(anti-parallel)であるのに対し、第2ユニットU2の磁化状態は、平行(parallel)である。   However, when the magnetization of the free layer 12 is downward (solid line), the magnetization state of the first unit U1 is anti-parallel, whereas the magnetization state of the second unit U2 is parallel (parallel). ).

同様に、フリー層12の磁化が紙面上向き(破線)のとき、第1ユニットU1の磁化状態は、平行であるのに対し、第2ユニットU2の磁化状態は、反平行である。   Similarly, when the magnetization of the free layer 12 is upward (broken line), the magnetization state of the first unit U1 is parallel, while the magnetization state of the second unit U2 is antiparallel.

このため、読み出し時に、第1ユニットU1によるMR比と第2ユニットU2によるMR比とが相殺し合う。   For this reason, at the time of reading, the MR ratio by the first unit U1 and the MR ratio by the second unit U2 cancel each other.

従って、磁気抵抗効果素子としてMR比を確保するためには、例えば、スペーサ層13A,13Bの材料や厚さなどを異ならせ、第1及び第2ユニットU1,U2のMR比に差を付けなければならない。   Therefore, in order to ensure the MR ratio as the magnetoresistive effect element, for example, the material and thickness of the spacer layers 13A and 13B must be varied to make a difference in the MR ratio of the first and second units U1 and U2. I must.

ところが、第1ユニットU1によるMR比と第2ユニットU2によるMR比とが相殺し合うことに変わりはないため、結果として、十分に大きなMR比を確保することが難しい。   However, since the MR ratio by the first unit U1 and the MR ratio by the second unit U2 still cancel each other, it is difficult to secure a sufficiently large MR ratio as a result.

図2の構造では、第1及び第2ユニットU1,U2のピンド層11Aの磁化が同じ向き、本例では、共に紙面上向きである。   In the structure of FIG. 2, the magnetizations of the pinned layers 11A of the first and second units U1 and U2 are the same direction, and in this example, both are upward.

この場合、フリー層12の磁化が紙面下向き(実線)のとき、第1及び第2ユニットU1,U2の磁化状態は、共に反平行である。また、フリー層12の磁化が紙面上向き(破線)のとき、第1及び第2ユニットU1,U2の磁化状態は、共に平行である。   In this case, when the magnetization of the free layer 12 faces downward (solid line), the magnetization states of the first and second units U1 and U2 are both antiparallel. When the magnetization of the free layer 12 is upward (dashed line), the magnetization states of the first and second units U1 and U2 are both parallel.

従って、読み出し時には、第1ユニットU1によるMR比と第2ユニットU2によるMR比とが相殺されるこがなく、十分に大きなMR比を確保できる。   Therefore, at the time of reading, the MR ratio by the first unit U1 and the MR ratio by the second unit U2 are not canceled out, and a sufficiently large MR ratio can be secured.

しかし、第1及び第2ユニットU1,U2のピンド層11Aの磁化が同じ向きであるため、第1及び第2ユニットU1,U2の磁化状態を平行にするとき、スピン偏極された電子の反射による磁化反転効率の向上という効果が得られない。また、第1及び第2ユニットU1,U2の磁化状態を反平行にするのが困難になる。   However, since the magnetizations of the pinned layers 11A of the first and second units U1 and U2 are in the same direction, the reflection of spin-polarized electrons is caused when the magnetization states of the first and second units U1 and U2 are made parallel. Thus, the effect of improving the magnetization reversal efficiency cannot be obtained. In addition, it is difficult to make the magnetization states of the first and second units U1, U2 antiparallel.

本発明の例では、このような問題の全てをTMR(トンネル磁気抵抗効果)比のバイアス依存性を利用することにより一気に解決する。   In the example of the present invention, all such problems are solved at once by utilizing the bias dependence of the TMR (tunnel magnetoresistance effect) ratio.

3. ノーマル状態/インバース状態
磁気抵抗効果素子のMR比には、プラスとマイナスが存在する。
3. Normal state / inverse state
There are positive and negative MR ratios of magnetoresistive elements.

MR比がプラスの状態をノーマル(normal)状態とし、そのようなMR比を生じさせるトンネル磁気抵抗効果をノーマルTMR効果と定義する。また、MR比がマイナスの状態をインバース(inverse)状態とし、そのようなMR比を生じさせるトンネル磁気抵抗効果をインバースTMR効果と定義する。   A state in which the MR ratio is positive is defined as a normal state, and a tunnel magnetoresistance effect that causes such an MR ratio is defined as a normal TMR effect. Further, a state in which the MR ratio is negative is defined as an inverse state, and a tunnel magnetoresistance effect that causes such an MR ratio is defined as an inverse TMR effect.

具体的に示すと、以下のようになる。   Specifically, it is as follows.

MR比がノーマル状態の場合、ピンド層とフリー層の磁化状態が平行のときの抵抗値をRp、反平行のときの抵抗値をRapとすると、
Rap>Rp
となる。この時のMR比は、
MR比=[(Rap−Rp)/Rp]×100 > 0
で表される。
When the MR ratio is in the normal state, the resistance value when the magnetization state of the pinned layer and the free layer is parallel is Rp, and the resistance value when it is antiparallel is Rap.
Rap> Rp
It becomes. The MR ratio at this time is
MR ratio = [(Rap−Rp) / Rp] × 100> 0
It is represented by

MR比がインバース状態の場合、ピンド層とフリー層の磁化状態が平行のときの抵抗値をRp、反平行のときの抵抗値をRapとすると、
Rap<Rp
となる。この時のMR比は、
MR比=[(Rap−Rp)/Rp]×100 < 0
で表される。
When the MR ratio is an inverse state, the resistance value when the magnetization state of the pinned layer and the free layer is parallel is Rp, and the resistance value when the pinned layer is antiparallel is Rap.
Rap <Rp
It becomes. The MR ratio at this time is
MR ratio = [(Rap−Rp) / Rp] × 100 <0
It is represented by

ところで、トンネル磁気抵抗効果素子のMR比、即ち、TMR比は、バイアス依存性を有する。   By the way, the MR ratio of the tunnel magnetoresistive element, that is, the TMR ratio has a bias dependence.

例えば、バイアス電圧が零の状態でTMR比がノーマル状態の場合、バイアス電圧が増加するに従い、TMR比は小さくなり、バイアス電圧が所定値になると、TMR比が零になる。そして、さらにバイアス電圧を増加させていくと、TMR比(絶対値)は、インバース状態となって再び大きくなる。   For example, when the bias voltage is zero and the TMR ratio is in the normal state, the TMR ratio decreases as the bias voltage increases. When the bias voltage reaches a predetermined value, the TMR ratio becomes zero. As the bias voltage is further increased, the TMR ratio (absolute value) becomes an inverse state and increases again.

また、バイアス電圧が零の状態でTMR比がインバース状態の場合、バイアス電圧が増加するに従い、TMR比(絶対値)は小さくなり、バイアス電圧が所定値になると、TMR比が零になる。そして、さらにバイアス電圧を増加させていくと、TMR比は、ノーマル状態となって再び大きくなる。   Further, when the bias voltage is zero and the TMR ratio is inverse, the TMR ratio (absolute value) decreases as the bias voltage increases. When the bias voltage reaches a predetermined value, the TMR ratio becomes zero. As the bias voltage is further increased, the TMR ratio becomes normal and increases again.

TMR比のノーマル状態/インバース状態は、書き込み、即ち、フリー層に対するスピン注入トルクの作用にも影響を与える。   The normal state / inverse state of the TMR ratio also affects the writing, that is, the effect of the spin injection torque on the free layer.

例えば、TMR比がノーマル状態の場合、フリー層からピンド層に向かって書き込み電流が流れるときは、ピンド層の磁化方向と同じ向きにスピン偏極された電子がピンド層を通過してフリー層にスピン注入トルクを与えるため、フリー層の磁化方向は、ピンド層の磁化方向と同じ(平行)になる。   For example, when the TMR ratio is in the normal state, when a write current flows from the free layer to the pinned layer, electrons spin-polarized in the same direction as the magnetization direction of the pinned layer pass through the pinned layer and enter the free layer. In order to give a spin injection torque, the magnetization direction of the free layer is the same (parallel) as the magnetization direction of the pinned layer.

また、ピンド層からフリー層に向かって書き込み電流が流れるときは、ピンド層の磁化方向と逆向きにスピン偏極された電子がピンド層に反射されてフリー層にスピン注入トルクを与えるため、フリー層の磁化方向は、ピンド層の磁化方向と逆(反平行)になる。   In addition, when a write current flows from the pinned layer to the free layer, electrons that are spin-polarized in the direction opposite to the magnetization direction of the pinned layer are reflected by the pinned layer and give a spin injection torque to the free layer. The magnetization direction of the layer is opposite (antiparallel) to the magnetization direction of the pinned layer.

これに対し、TMR比がインバース状態の場合、フリー層からピンド層に向かって書き込み電流が流れるときは、ピンド層の磁化方向と逆向きにスピン偏極された電子がピンド層を通過してフリー層にスピン注入トルクを与えるため、フリー層の磁化方向は、ピンド層の磁化方向と逆(反平行)になる。   On the other hand, when the TMR ratio is in the inverse state, when a write current flows from the free layer to the pinned layer, electrons that are spin-polarized in the direction opposite to the magnetization direction of the pinned layer pass through the pinned layer and are free. Since the spin injection torque is applied to the layer, the magnetization direction of the free layer is opposite (antiparallel) to the magnetization direction of the pinned layer.

また、ピンド層からフリー層に向かって書き込み電流が流れるときは、フリー層からピンド層に流れる電子のうち、ピンド層の磁化方向と同じ向きにスピン偏極された電子がピンド層に反射されてフリー層にスピン注入トルクを与えるため、フリー層の磁化方向は、ピンド層の磁化方向と同じ(平行)になる。   Also, when a write current flows from the pinned layer to the free layer, among the electrons flowing from the free layer to the pinned layer, electrons that are spin-polarized in the same direction as the magnetization direction of the pinned layer are reflected by the pinned layer. In order to give spin injection torque to the free layer, the magnetization direction of the free layer is the same (parallel) as the magnetization direction of the pinned layer.

このように、TMR比は、バイアス電圧に応じてノーマル状態又はインバース状態になると共に、TMR比がノーマル状態であるか、又は、インバース状態であるかは、読み出し/書き込み動作に重大な影響を与える。   As described above, the TMR ratio becomes a normal state or an inverse state according to the bias voltage, and whether the TMR ratio is the normal state or the inverse state has a significant influence on the read / write operation. .

従って、TMR比のバイアス依存性を制御すると共に、書き込み電圧及び読み出し電圧を適切な値に設定することにより、書き込み電流の低減と読み出し時のMR比の向上とを同時に実現できる。   Accordingly, by controlling the bias dependence of the TMR ratio and setting the write voltage and the read voltage to appropriate values, it is possible to simultaneously reduce the write current and improve the MR ratio at the time of reading.

尚、本発明の例は、図1及び図2の第1及び第2ユニットU1,U2の少なくとも1つのMR比がバイアス依存性を有していればよいため、スペーサ層13A,13Bの少なくとも1つをトンネルバリア層とする。   In the example of the present invention, it is sufficient that at least one MR ratio of the first and second units U1 and U2 in FIGS. 1 and 2 has a bias dependency, so that at least one of the spacer layers 13A and 13B. One is a tunnel barrier layer.

4. 実施の形態
(1) 2つのピンド層の磁化方向が逆の場合
図7乃至図10は、2つのピンド層の磁化方向が逆向きに固定された磁気抵抗効果素子の書き込み/読み出し時の状態を示している。
4). Embodiment
(1) When the magnetization directions of the two pinned layers are opposite
7 to 10 show states at the time of writing / reading of the magnetoresistive effect element in which the magnetization directions of the two pinned layers are fixed in opposite directions.

まず、電子スピンの向きについて以下のように定義する。
電子スピンが紙面上方向を向いている状態をアップスピンと称し、電子スピンが紙面下方向を向いている状態をダウンスピンと称する。
First, the direction of electron spin is defined as follows.
A state in which the electron spin is directed upward in the drawing is referred to as upspin, and a state in which the electron spin is directed downward in the drawing is referred to as downspin.

ピンド層内及びフリー層内の矢印は、磁化の向きを示している。   Arrows in the pinned layer and the free layer indicate the direction of magnetization.

磁気抵抗効果素子の構造は図1で既に説明したので、ここでは、その説明については省略する。   Since the structure of the magnetoresistive effect element has already been described with reference to FIG. 1, the description thereof is omitted here.

A. 第1例
図7及び図8の例は、磁気抵抗効果素子に書き込み電圧をバイアスしたときに、第1及び第2ユニットU1,U2のMR比が共にノーマル状態になり、読み出し電圧をバイアスしたときに、第1ユニットU1のMR比がインバース状態、第2ユニットのMR比がノーマル状態になる点に特徴を有する。
A. First example
In the example of FIGS. 7 and 8, when the write voltage is biased to the magnetoresistive effect element, the MR ratios of the first and second units U1 and U2 are both in the normal state, and when the read voltage is biased, The MR ratio of one unit U1 is in an inverse state, and the MR ratio of the second unit is in a normal state.

まず、図7に示すように、フリー層12の磁化が紙面下向きである場合に、これを紙面上向きに磁化反転させるには、磁気抵抗効果素子に書き込み電圧(バイアス電圧)Vw“1”を印加する。書き込み電圧Vw“1”は、ピンド層11Aを低い電位にし、ピンド層11Bを高い電位にする。   First, as shown in FIG. 7, when the magnetization of the free layer 12 is downward on the paper surface, in order to reverse the magnetization upward on the paper surface, a write voltage (bias voltage) Vw “1” is applied to the magnetoresistive effect element. To do. The write voltage Vw “1” brings the pinned layer 11A to a low potential and the pinned layer 11B to a high potential.

このようなピンド層11Aを低い電位にし、ピンド層11Bを高い電位にするバイアスを正のバイアス電圧と定義する。   A bias for setting the pinned layer 11A to a low potential and setting the pinned layer 11B to a high potential is defined as a positive bias voltage.

この時、書き込み電流(スピン注入電流)Iw“1”は、ピンド層11Bからピンド層11Aに向かって流れる。   At this time, the write current (spin injection current) Iw “1” flows from the pinned layer 11B toward the pinned layer 11A.

このため、紙面上向きにスピン偏極された電子(アップスピン)は、ピンド層11Aを通過してフリー層12にスピン注入トルクを与える。また、アップスピンは、ピンド層11Bで反射してフリー層12にスピン注入トルクを与える。   For this reason, the electrons spin-up polarized upward (upspin) pass through the pinned layer 11A and give a spin injection torque to the free layer 12. Further, the upspin is reflected by the pinned layer 11B and gives a spin injection torque to the free layer 12.

従って、フリー層12の磁化は、紙面下向きから紙面上向きに変化する。   Therefore, the magnetization of the free layer 12 changes from a downward direction on the paper surface to an upward surface on the paper surface.

この後、磁気抵抗効果素子に読み出し電圧(バイアス電圧)Vrを印加する。読み出し電圧Vrは、書き込み電圧Vw“1”よりも十分に小さい。読み出し電圧Vrは、ピンド層11Aを低い電位にし、ピンド層11Bを高い電位にする。   Thereafter, a read voltage (bias voltage) Vr is applied to the magnetoresistive effect element. The read voltage Vr is sufficiently smaller than the write voltage Vw “1”. The read voltage Vr brings the pinned layer 11A to a low potential and the pinned layer 11B to a high potential.

この時、読み出し電流Irは、ピンド層11Bからピンド層11Aに向かって流れる。また、読み出し電圧Vrがバイアスされた状態では、第1ユニットU1がインバース状態、第2ユニットU2がノーマル状態である。   At this time, the read current Ir flows from the pinned layer 11B toward the pinned layer 11A. In the state where the read voltage Vr is biased, the first unit U1 is in the inverse state and the second unit U2 is in the normal state.

従って、第1ユニットU1では、ピンド層11Aとフリー層12との磁化状態が平行であるため、高抵抗状態になり、第2ユニットU2では、ピンド層11Bとフリー層12との磁化状態が反平行であるため、高抵抗状態になる。   Therefore, in the first unit U1, since the magnetization state of the pinned layer 11A and the free layer 12 is parallel, the first unit U1 is in a high resistance state, and in the second unit U2, the magnetization state of the pinned layer 11B and the free layer 12 is opposite. Since it is parallel, it will be in a high resistance state.

つまり、いずれも高抵抗状態になるため、第1及び第2ユニットU1,U2とでMR比が相殺されることがなく、書き込み電流の低減と読み出し時のMR比の向上との両立を図ることができる。   That is, since both are in a high resistance state, the MR ratio is not canceled between the first and second units U1 and U2, and both reduction in write current and improvement in MR ratio at the time of reading are achieved. Can do.

次に、図8に示すように、フリー層12の磁化が紙面上向きである場合に、これを紙面下向きに磁化反転させるには、磁気抵抗効果素子に書き込み電圧(バイアス電圧)Vw“0”を印加する。書き込み電圧Vw“0”は、ピンド層11Aを高い電位にし、ピンド層11Bを低い電位にする。   Next, as shown in FIG. 8, when the magnetization of the free layer 12 is upward on the paper surface, in order to reverse the magnetization downward on the paper surface, a write voltage (bias voltage) Vw “0” is applied to the magnetoresistive effect element. Apply. The write voltage Vw “0” brings the pinned layer 11A to a high potential and the pinned layer 11B to a low potential.

このようなピンド層11Aを高い電位にし、ピンド層11Bを低い電位にするバイアスを負のバイアス電圧と定義する。   A bias for setting the pinned layer 11A to a high potential and setting the pinned layer 11B to a low potential is defined as a negative bias voltage.

この時、書き込み電流(スピン注入電流)Iw“0”は、ピンド層11Aからピンド層11Bに向かって流れる。   At this time, the write current (spin injection current) Iw “0” flows from the pinned layer 11A toward the pinned layer 11B.

このため、紙面下向きにスピン偏極された電子(ダウンスピン)は、ピンド層11Bを通過してフリー層12にスピン注入トルクを与える。また、ダウンスピンは、ピンド層11Aで反射してフリー層12にスピン注入トルクを与える。   For this reason, the electrons (down spin) spin-polarized downward in the drawing pass through the pinned layer 11B and give a spin injection torque to the free layer 12. Further, the down spin is reflected by the pinned layer 11A and gives a spin injection torque to the free layer 12.

従って、フリー層12の磁化は、紙面上向きから紙面下向きに変化する。   Therefore, the magnetization of the free layer 12 changes from upward on the paper to downward on the paper.

この後、磁気抵抗効果素子に読み出し電圧(バイアス電圧)Vrを印加する。読み出し電圧Vrは、書き込み電圧Vw“0”よりも十分に小さい。読み出し電圧Vrは、ピンド層11Aを低い電位にし、ピンド層11Bを高い電位にする。   Thereafter, a read voltage (bias voltage) Vr is applied to the magnetoresistive effect element. The read voltage Vr is sufficiently smaller than the write voltage Vw “0”. The read voltage Vr brings the pinned layer 11A to a low potential and the pinned layer 11B to a high potential.

この時、読み出し電流Irは、ピンド層11Bからピンド層11Aに向かって流れる。また、読み出し電圧Vrがバイアスされた状態では、第1ユニットU1がインバース状態、第2ユニットU2がノーマル状態である。   At this time, the read current Ir flows from the pinned layer 11B toward the pinned layer 11A. In the state where the read voltage Vr is biased, the first unit U1 is in the inverse state and the second unit U2 is in the normal state.

従って、第1ユニットU1では、ピンド層11Aとフリー層12との磁化状態が反平行であるため、低抵抗状態になり、第2ユニットU2では、ピンド層11Bとフリー層12との磁化状態が平行であるため、低抵抗状態になる。   Accordingly, in the first unit U1, since the magnetization state of the pinned layer 11A and the free layer 12 is antiparallel, the resistance state is low, and in the second unit U2, the magnetization state of the pinned layer 11B and the free layer 12 is Since it is parallel, it will be in a low resistance state.

つまり、いずれも低抵抗状態になるため、第1及び第2ユニットU1,U2とでMR比が相殺されることがなく、書き込み電流の低減と読み出し時のMR比の向上との両立を図ることができる。   That is, since both are in a low resistance state, the MR ratio is not canceled by the first and second units U1 and U2, and both reduction in write current and improvement in MR ratio at the time of reading are achieved. Can do.

尚、図7及び図8の読み出し時の状態として、第1ユニットU1をノーマル状態とし、第2ユニットU2をインバース状態としてもよい。   7 and 8, the first unit U1 may be in the normal state and the second unit U2 may be in the inverse state.

この場合、図7に示す状態、即ち、フリー層12の磁化が紙面上向きでは、第1及び第2ユニットU1,U2は、共に、低抵抗状態になり、図8に示す状態、即ち、フリー層12の磁化が紙面下向きでは、第1及び第2ユニットU1,U2は、共に、高抵抗状態になる。   In this case, in the state shown in FIG. 7, that is, when the magnetization of the free layer 12 is upward on the paper, both the first and second units U1 and U2 are in the low resistance state, and the state shown in FIG. When the magnetization of 12 is directed downward in the drawing, both the first and second units U1, U2 are in a high resistance state.

また、読み出し電圧Vrについては、ピンド層11Aを低い電位にし、ピンド層11Bを高い電位にしたが、これに代えて、ピンド層11Aを高い電位にし、ピンド層11Bを低い電位にしてもよい。   As for the read voltage Vr, the pinned layer 11A is set to a low potential and the pinned layer 11B is set to a high potential, but instead, the pinned layer 11A may be set to a high potential and the pinned layer 11B may be set to a low potential.

B. 第2例
図9及び図10の例は、磁気抵抗効果素子に書き込み電圧をバイアスしたときに、第1及び第2ユニットU1,U2のMR比が共にインバース状態になり、読み出し電圧をバイアスしたときに、第1ユニットU1のMR比がインバース状態、第2ユニットのMR比がノーマル状態になる点に特徴を有する。
B. Second example
In the example of FIGS. 9 and 10, when the write voltage is biased to the magnetoresistive effect element, the MR ratios of the first and second units U1 and U2 are both in an inverse state, and when the read voltage is biased, The MR ratio of one unit U1 is in an inverse state, and the MR ratio of the second unit is in a normal state.

まず、図9に示すように、フリー層12の磁化が紙面下向きである場合に、これを紙面上向きに磁化反転させるには、磁気抵抗効果素子に書き込み電圧(負のバイアス電圧)Vw“1”を印加する。書き込み電圧Vw“1”は、ピンド層11Aを高い電位にし、ピンド層11Bを低い電位にする。   First, as shown in FIG. 9, when the magnetization of the free layer 12 is downward on the paper, in order to reverse the magnetization upward on the paper, the write voltage (negative bias voltage) Vw “1” is applied to the magnetoresistive effect element. Apply. The write voltage Vw “1” brings the pinned layer 11A to a high potential and the pinned layer 11B to a low potential.

この時、書き込み電流(スピン注入電流)Iw“1”は、ピンド層11Aからピンド層11Bに向かって流れる。   At this time, the write current (spin injection current) Iw “1” flows from the pinned layer 11A toward the pinned layer 11B.

このため、紙面上向きにスピン偏極された電子(アップスピン)は、ピンド層11Bを通過してフリー層12にスピン注入トルクを与える。また、アップスピンは、ピンド層11Aで反射してフリー層12にスピン注入トルクを与える。   For this reason, the spin-polarized electrons (up spin) on the paper surface pass through the pinned layer 11B and give a spin injection torque to the free layer 12. The upspin is reflected by the pinned layer 11A and gives a spin injection torque to the free layer 12.

従って、フリー層12の磁化は、紙面下向きから紙面上向きに変化する。   Therefore, the magnetization of the free layer 12 changes from a downward direction on the paper surface to an upward surface on the paper surface.

この後、磁気抵抗効果素子に読み出し電圧(バイアス電圧)Vrを印加する。読み出し電圧Vrは、書き込み電圧Vw“1”よりも十分に小さい。読み出し電圧Vrは、ピンド層11Aを低い電位にし、ピンド層11Bを高い電位にする。   Thereafter, a read voltage (bias voltage) Vr is applied to the magnetoresistive effect element. The read voltage Vr is sufficiently smaller than the write voltage Vw “1”. The read voltage Vr brings the pinned layer 11A to a low potential and the pinned layer 11B to a high potential.

この時、読み出し電流Irは、ピンド層11Bからピンド層11Aに向かって流れる。また、読み出し電圧Vrがバイアスされた状態では、第1ユニットU1がインバース状態、第2ユニットU2がノーマル状態である。   At this time, the read current Ir flows from the pinned layer 11B toward the pinned layer 11A. In the state where the read voltage Vr is biased, the first unit U1 is in the inverse state and the second unit U2 is in the normal state.

従って、第1ユニットU1では、ピンド層11Aとフリー層12との磁化状態が平行であるため、高抵抗状態になり、第2ユニットU2では、ピンド層11Bとフリー層12との磁化状態が反平行であるため、高抵抗状態になる。   Therefore, in the first unit U1, since the magnetization state of the pinned layer 11A and the free layer 12 is parallel, the first unit U1 is in a high resistance state, and in the second unit U2, the magnetization state of the pinned layer 11B and the free layer 12 is opposite. Since it is parallel, it will be in a high resistance state.

つまり、いずれも高抵抗状態になるため、第1及び第2ユニットU1,U2とでMR比が相殺されることがなく、書き込み電流の低減と読み出し時のMR比の向上との両立を図ることができる。   That is, since both are in a high resistance state, the MR ratio is not canceled between the first and second units U1 and U2, and both reduction in write current and improvement in MR ratio at the time of reading are achieved. Can do.

次に、図10に示すように、フリー層12の磁化が紙面上向きである場合に、これを紙面下向きに磁化反転させるには、磁気抵抗効果素子に書き込み電圧(正のバイアス電圧)Vw“0”を印加する。書き込み電圧Vw“0”は、ピンド層11Aを低い電位にし、ピンド層11Bを高い電位にする。   Next, as shown in FIG. 10, when the magnetization of the free layer 12 is upward on the paper surface, in order to reverse the magnetization downward on the paper surface, the write voltage (positive bias voltage) Vw “0” is applied to the magnetoresistive effect element. "Is applied. The write voltage Vw “0” makes the pinned layer 11A have a low potential and the pinned layer 11B has a high potential.

この時、書き込み電流(スピン注入電流)Iw“0”は、ピンド層11Bからピンド層11Aに向かって流れる。   At this time, the write current (spin injection current) Iw “0” flows from the pinned layer 11B toward the pinned layer 11A.

このため、紙面下向きにスピン偏極された電子(ダウンスピン)は、ピンド層11Aを通過してフリー層12にスピン注入トルクを与える。また、ダウンスピンは、ピンド層11Bで反射してフリー層12にスピン注入トルクを与える。   For this reason, the electrons (down spin) spin-polarized downward in the paper surface pass through the pinned layer 11A and give a spin injection torque to the free layer 12. Further, the down spin is reflected by the pinned layer 11B and gives a spin injection torque to the free layer 12.

従って、フリー層12の磁化は、紙面上向きから紙面下向きに変化する。   Therefore, the magnetization of the free layer 12 changes from upward on the paper to downward on the paper.

この後、磁気抵抗効果素子に読み出し電圧(バイアス電圧)Vrを印加する。読み出し電圧Vrは、書き込み電圧Vw“0”よりも十分に小さい。読み出し電圧Vrは、ピンド層11Aを低い電位にし、ピンド層11Bを高い電位にする。   Thereafter, a read voltage (bias voltage) Vr is applied to the magnetoresistive effect element. The read voltage Vr is sufficiently smaller than the write voltage Vw “0”. The read voltage Vr brings the pinned layer 11A to a low potential and the pinned layer 11B to a high potential.

この時、読み出し電流Irは、ピンド層11Bからピンド層11Aに向かって流れる。また、読み出し電圧Vrがバイアスされた状態では、第1ユニットU1がインバース状態、第2ユニットU2がノーマル状態である。   At this time, the read current Ir flows from the pinned layer 11B toward the pinned layer 11A. In the state where the read voltage Vr is biased, the first unit U1 is in the inverse state and the second unit U2 is in the normal state.

従って、第1ユニットU1では、ピンド層11Aとフリー層12との磁化状態が反平行であるため、低抵抗状態になり、第2ユニットU2では、ピンド層11Bとフリー層12との磁化状態が平行であるため、低抵抗状態になる。   Accordingly, in the first unit U1, since the magnetization state of the pinned layer 11A and the free layer 12 is antiparallel, the resistance state is low, and in the second unit U2, the magnetization state of the pinned layer 11B and the free layer 12 is Since it is parallel, it will be in a low resistance state.

つまり、いずれも低抵抗状態になるため、第1及び第2ユニットU1,U2とでMR比が相殺されることがなく、書き込み電流の低減と読み出し時のMR比の向上との両立を図ることができる。   That is, since both are in a low resistance state, the MR ratio is not canceled by the first and second units U1 and U2, and both reduction in write current and improvement in MR ratio at the time of reading are achieved. Can do.

尚、図9及び図10の読み出し時の状態として、第1ユニットU1をノーマル状態とし、第2ユニットU2をインバース状態としてもよい。   As a state at the time of reading in FIGS. 9 and 10, the first unit U1 may be in a normal state and the second unit U2 may be in an inverse state.

この場合、図9に示す状態、即ち、フリー層12の磁化が紙面上向きでは、第1及び第2ユニットU1,U2は、共に、低抵抗状態になり、図10に示す状態、即ち、フリー層12の磁化が紙面下向きでは、第1及び第2ユニットU1,U2は、共に、高抵抗状態になる。   In this case, in the state shown in FIG. 9, that is, when the magnetization of the free layer 12 is upward on the paper surface, the first and second units U1 and U2 are both in the low resistance state, and the state shown in FIG. When the magnetization of 12 is directed downward in the drawing, both the first and second units U1, U2 are in a high resistance state.

また、読み出し電圧Vrについては、ピンド層11Aを低い電位にし、ピンド層11Bを高い電位にしたが、これに代えて、ピンド層11Aを高い電位にし、ピンド層11Bを低い電位にしてもよい。   As for the read voltage Vr, the pinned layer 11A is set to a low potential and the pinned layer 11B is set to a high potential, but instead, the pinned layer 11A may be set to a high potential and the pinned layer 11B may be set to a low potential.

(2) 2つのピンド層の磁化方向が同じ場合
図11乃至図14は、2つのピンド層の磁化方向が同じ向きに固定された磁気抵抗効果素子の書き込み/読み出し時の状態を示している。
(2) When the magnetization directions of the two pinned layers are the same
11 to 14 show states at the time of writing / reading of the magnetoresistive effect element in which the magnetization directions of the two pinned layers are fixed in the same direction.

まず、電子スピンの向きについては、2つのピンド層の磁化方向が逆の場合と同様に、紙面上方向を向いている状態をアップスピンと称し、紙面下方向を向いている状態をダウンスピンと称する。   First, regarding the direction of electron spin, as in the case where the magnetization directions of the two pinned layers are opposite to each other, a state in which the direction is upward is referred to as upspin, and a state in which the direction is downward is referred to as downspin. Called.

A. 第1例
図11及び図12の例は、磁気抵抗効果素子に書き込み電圧をバイアスしたときに、第1ユニットU1のMR比がノーマル状態、第2ユニットのMR比がインバース状態になり、読み出し電圧をバイアスしたときに、第1及び第2ユニットU1,U2のMR比が共にノーマル状態になる点に特徴を有する。
A. First example
In the example of FIGS. 11 and 12, when the write voltage is biased to the magnetoresistive effect element, the MR ratio of the first unit U1 is in the normal state, the MR ratio of the second unit is in the inverse state, and the read voltage is biased. Sometimes, the MR ratios of the first and second units U1, U2 are both in a normal state.

まず、図11に示すように、フリー層12の磁化が紙面下向きである場合に、これを紙面上向きに磁化反転させるには、磁気抵抗効果素子に書き込み電圧(正のバイアス電圧)Vw“0”を印加する。書き込み電圧Vw“0”は、ピンド層11Aを低い電位にし、ピンド層11Bを高い電位にする。   First, as shown in FIG. 11, when the magnetization of the free layer 12 is downward on the paper surface, in order to reverse the magnetization upward on the paper surface, the write voltage (positive bias voltage) Vw “0” is applied to the magnetoresistive effect element. Is applied. The write voltage Vw “0” makes the pinned layer 11A have a low potential and the pinned layer 11B has a high potential.

この時、書き込み電流(スピン注入電流)Iw“0”は、ピンド層11Bからピンド層11Aに向かって流れる。   At this time, the write current (spin injection current) Iw “0” flows from the pinned layer 11B toward the pinned layer 11A.

このため、紙面上向きにスピン偏極された電子(アップスピン)は、ピンド層11Aを通過してフリー層12にスピン注入トルクを与える。また、アップスピンは、ピンド層11Bで反射してフリー層12にスピン注入トルクを与える。   For this reason, the electrons spin-up polarized upward (upspin) pass through the pinned layer 11A and give a spin injection torque to the free layer 12. Further, the upspin is reflected by the pinned layer 11B and gives a spin injection torque to the free layer 12.

従って、フリー層12の磁化は、紙面下向きから紙面上向きに変化する。   Therefore, the magnetization of the free layer 12 changes from a downward direction on the paper surface to an upward surface on the paper surface.

この後、磁気抵抗効果素子に読み出し電圧(バイアス電圧)Vrを印加する。読み出し電圧Vrは、書き込み電圧Vw“0”よりも十分に小さい。読み出し電圧Vrは、ピンド層11Aを低い電位にし、ピンド層11Bを高い電位にする。   Thereafter, a read voltage (bias voltage) Vr is applied to the magnetoresistive effect element. The read voltage Vr is sufficiently smaller than the write voltage Vw “0”. The read voltage Vr brings the pinned layer 11A to a low potential and the pinned layer 11B to a high potential.

この時、読み出し電流Irは、ピンド層11Bからピンド層11Aに向かって流れる。また、読み出し電圧Vrがバイアスされた状態では、第1及び第2ユニットU1,U2が共にノーマル状態である。   At this time, the read current Ir flows from the pinned layer 11B toward the pinned layer 11A. In addition, when the read voltage Vr is biased, both the first and second units U1 and U2 are in the normal state.

従って、第1ユニットU1では、ピンド層11Aとフリー層12との磁化状態が平行であるため、低抵抗状態になり、第2ユニットU2では、ピンド層11Bとフリー層12との磁化状態が平行であるため、低抵抗状態になる。   Accordingly, in the first unit U1, since the magnetization state of the pinned layer 11A and the free layer 12 is parallel, the resistance state is brought about. In the second unit U2, the magnetization state of the pinned layer 11B and the free layer 12 is parallel. Therefore, a low resistance state is obtained.

つまり、いずれも低抵抗状態になるため、第1及び第2ユニットU1,U2とでMR比が相殺されることがなく、書き込み電流の低減と読み出し時のMR比の向上との両立を図ることができる。   That is, since both are in a low resistance state, the MR ratio is not canceled by the first and second units U1 and U2, and both reduction in write current and improvement in MR ratio at the time of reading are achieved. Can do.

次に、図12に示すように、フリー層12の磁化が紙面上向きである場合に、これを紙面下向きに磁化反転させるには、磁気抵抗効果素子に書き込み電圧(負のバイアス電圧)Vw“1”を印加する。書き込み電圧Vw“1”は、ピンド層11Aを高い電位にし、ピンド層11Bを低い電位にする。   Next, as shown in FIG. 12, when the magnetization of the free layer 12 is upward on the paper, in order to reverse the magnetization downward on the paper, the write voltage (negative bias voltage) Vw “1” is applied to the magnetoresistive effect element. "Is applied. The write voltage Vw “1” brings the pinned layer 11A to a high potential and the pinned layer 11B to a low potential.

この時、書き込み電流(スピン注入電流)Iw“1”は、ピンド層11Aからピンド層11Bに向かって流れる。   At this time, the write current (spin injection current) Iw “1” flows from the pinned layer 11A toward the pinned layer 11B.

このため、紙面下向きにスピン偏極された電子(ダウンスピン)は、ピンド層11Bを通過してフリー層12にスピン注入トルクを与える。また、ダウンスピンは、ピンド層11Aで反射してフリー層12にスピン注入トルクを与える。   For this reason, the electrons (down spin) spin-polarized downward in the drawing pass through the pinned layer 11B and give a spin injection torque to the free layer 12. Further, the down spin is reflected by the pinned layer 11A and gives a spin injection torque to the free layer 12.

従って、フリー層12の磁化は、紙面上向きから紙面下向きに変化する。   Therefore, the magnetization of the free layer 12 changes from upward on the paper to downward on the paper.

この後、磁気抵抗効果素子に読み出し電圧(バイアス電圧)Vrを印加する。読み出し電圧Vrは、書き込み電圧Vw“1”よりも十分に小さい。読み出し電圧Vrは、ピンド層11Aを低い電位にし、ピンド層11Bを高い電位にする。   Thereafter, a read voltage (bias voltage) Vr is applied to the magnetoresistive effect element. The read voltage Vr is sufficiently smaller than the write voltage Vw “1”. The read voltage Vr brings the pinned layer 11A to a low potential and the pinned layer 11B to a high potential.

この時、読み出し電流Irは、ピンド層11Bからピンド層11Aに向かって流れる。また、読み出し電圧Vrがバイアスされた状態では、第1及び第2ユニットU1,U2が共にノーマル状態である。   At this time, the read current Ir flows from the pinned layer 11B toward the pinned layer 11A. In addition, when the read voltage Vr is biased, both the first and second units U1 and U2 are in the normal state.

従って、第1ユニットU1では、ピンド層11Aとフリー層12との磁化状態が反平行であるため、高抵抗状態になり、第2ユニットU2では、ピンド層11Bとフリー層12との磁化状態が反平行であるため、高抵抗状態になる。   Accordingly, in the first unit U1, since the magnetization state of the pinned layer 11A and the free layer 12 is antiparallel, the high resistance state is obtained. In the second unit U2, the magnetization state of the pinned layer 11B and the free layer 12 is Since it is antiparallel, it will be in a high resistance state.

つまり、いずれも高抵抗状態になるため、第1及び第2ユニットU1,U2とでMR比が相殺されることがなく、書き込み電流の低減と読み出し時のMR比の向上との両立を図ることができる。   That is, since both are in a high resistance state, the MR ratio is not canceled between the first and second units U1 and U2, and both reduction in write current and improvement in MR ratio at the time of reading are achieved. Can do.

尚、図11及び図12の書き込み時の状態として、第1ユニットU1をインバース状態とし、第2ユニットU2をノーマル状態としてもよい。   11 and 12, the first unit U1 may be in the inverse state and the second unit U2 may be in the normal state.

この場合、書き込み時に図11に示すようなバイアス条件を与えると、フリー層12の磁化方向は、紙面上向きではなく、紙面下向きに変化する。また、書き込み時に図12に示すようなバイアス条件を与えると、フリー層12の磁化方向は、紙面下向きではなく、紙面上向きに変化する。   In this case, when the bias condition as shown in FIG. 11 is given at the time of writing, the magnetization direction of the free layer 12 changes not upward on the paper but downward on the paper. Further, when a bias condition as shown in FIG. 12 is given at the time of writing, the magnetization direction of the free layer 12 changes not upward on the paper but upward on the paper.

また、読み出し電圧Vrについては、ピンド層11Aを低い電位にし、ピンド層11Bを高い電位にしたが、これに代えて、ピンド層11Aを高い電位にし、ピンド層11Bを低い電位にしてもよい。   As for the read voltage Vr, the pinned layer 11A is set to a low potential and the pinned layer 11B is set to a high potential, but instead, the pinned layer 11A may be set to a high potential and the pinned layer 11B may be set to a low potential.

B. 第2例
図13及び図14の例は、磁気抵抗効果素子に書き込み電圧をバイアスしたときに、第1ユニットU1のMR比がノーマル状態、第2ユニットのMR比がインバース状態になり、読み出し電圧をバイアスしたときに、第1及び第2ユニットU1,U2のMR比が共にインバース状態になる点に特徴を有する。
B. Second example
In the example of FIGS. 13 and 14, when the write voltage is biased to the magnetoresistive effect element, the MR ratio of the first unit U1 is in the normal state, the MR ratio of the second unit is in the inverse state, and the read voltage is biased. Sometimes, the MR ratio of the first and second units U1, U2 is both in an inverse state.

まず、図13に示すように、フリー層12の磁化が紙面下向きである場合に、これを紙面上向きに磁化反転させるには、磁気抵抗効果素子に書き込み電圧(正バイアス電圧)Vw“1”を印加する。書き込み電圧Vw“1”は、ピンド層11Aを低い電位にし、ピンド層11Bを高い電位にする。   First, as shown in FIG. 13, when the magnetization of the free layer 12 is downward on the paper surface, in order to reverse the magnetization upward on the paper surface, a write voltage (positive bias voltage) Vw “1” is applied to the magnetoresistive effect element. Apply. The write voltage Vw “1” brings the pinned layer 11A to a low potential and the pinned layer 11B to a high potential.

この時、書き込み電流(スピン注入電流)Iw“1”は、ピンド層11Bからピンド層11Aに向かって流れる。   At this time, the write current (spin injection current) Iw “1” flows from the pinned layer 11B toward the pinned layer 11A.

このため、紙面上向きにスピン偏極された電子(アップスピン)は、ピンド層11Aを通過してフリー層12にスピン注入トルクを与える。また、アップスピンは、ピンド層11Bで反射してフリー層12にスピン注入トルクを与える。   For this reason, the electrons spin-up polarized upward (upspin) pass through the pinned layer 11A and give a spin injection torque to the free layer 12. Further, the upspin is reflected by the pinned layer 11B and gives a spin injection torque to the free layer 12.

従って、フリー層12の磁化は、紙面下向きから紙面上向きに変化する。   Therefore, the magnetization of the free layer 12 changes from a downward direction on the paper surface to an upward surface on the paper surface.

この後、磁気抵抗効果素子に読み出し電圧(バイアス電圧)Vrを印加する。読み出し電圧Vrは、書き込み電圧Vw“1”よりも十分に小さい。読み出し電圧Vrは、ピンド層11Aを低い電位にし、ピンド層11Bを高い電位にする。   Thereafter, a read voltage (bias voltage) Vr is applied to the magnetoresistive effect element. The read voltage Vr is sufficiently smaller than the write voltage Vw “1”. The read voltage Vr brings the pinned layer 11A to a low potential and the pinned layer 11B to a high potential.

この時、読み出し電流Irは、ピンド層11Bからピンド層11Aに向かって流れる。また、読み出し電圧Vrがバイアスされた状態では、第1及び第2ユニットU1,U2が共にインバース状態である。   At this time, the read current Ir flows from the pinned layer 11B toward the pinned layer 11A. In addition, when the read voltage Vr is biased, both the first and second units U1 and U2 are in an inverse state.

従って、第1ユニットU1では、ピンド層11Aとフリー層12との磁化状態が平行であるため、高抵抗状態になり、第2ユニットU2では、ピンド層11Bとフリー層12との磁化状態が平行であるため、高抵抗状態になる。   Therefore, in the first unit U1, since the magnetization state of the pinned layer 11A and the free layer 12 is parallel, the high resistance state is obtained. In the second unit U2, the magnetization state of the pinned layer 11B and the free layer 12 is parallel. Therefore, a high resistance state is obtained.

つまり、いずれも高抵抗状態になるため、第1及び第2ユニットU1,U2とでMR比が相殺されることがなく、書き込み電流の低減と読み出し時のMR比の向上との両立を図ることができる。   That is, since both are in a high resistance state, the MR ratio is not canceled between the first and second units U1 and U2, and both reduction in write current and improvement in MR ratio at the time of reading are achieved. Can do.

次に、図14に示すように、フリー層12の磁化が紙面上向きである場合に、これを紙面下向きに磁化反転させるには、磁気抵抗効果素子に書き込み電圧(負のバイアス電圧)Vw“0”を印加する。書き込み電圧Vw“0”は、ピンド層11Aを高い電位にし、ピンド層11Bを低い電位にする。   Next, as shown in FIG. 14, when the magnetization of the free layer 12 is upward on the paper surface, in order to reverse the magnetization downward on the paper surface, the write voltage (negative bias voltage) Vw “0” is applied to the magnetoresistive effect element. "Is applied. The write voltage Vw “0” brings the pinned layer 11A to a high potential and the pinned layer 11B to a low potential.

この時、書き込み電流(スピン注入電流)Iw“0”は、ピンド層11Aからピンド層11Bに向かって流れる。   At this time, the write current (spin injection current) Iw “0” flows from the pinned layer 11A toward the pinned layer 11B.

このため、紙面下向きにスピン偏極された電子(ダウンスピン)は、ピンド層11Bを通過してフリー層12にスピン注入トルクを与える。また、ダウンスピンは、ピンド層11Aで反射してフリー層12にスピン注入トルクを与える。   For this reason, the electrons (down spin) spin-polarized downward in the drawing pass through the pinned layer 11B and give a spin injection torque to the free layer 12. Further, the down spin is reflected by the pinned layer 11A and gives a spin injection torque to the free layer 12.

従って、フリー層12の磁化は、紙面上向きから紙面下向きに変化する。   Therefore, the magnetization of the free layer 12 changes from upward on the paper to downward on the paper.

この後、磁気抵抗効果素子に読み出し電圧(バイアス電圧)Vrを印加する。読み出し電圧Vrは、書き込み電圧Vw“0”よりも十分に小さい。読み出し電圧Vrは、ピンド層11Aを低い電位にし、ピンド層11Bを高い電位にする。   Thereafter, a read voltage (bias voltage) Vr is applied to the magnetoresistive effect element. The read voltage Vr is sufficiently smaller than the write voltage Vw “0”. The read voltage Vr brings the pinned layer 11A to a low potential and the pinned layer 11B to a high potential.

この時、読み出し電流Irは、ピンド層11Bからピンド層11Aに向かって流れる。また、読み出し電圧Vrがバイアスされた状態では、第1及び第2ユニットU1,U2が共にインバース状態である。   At this time, the read current Ir flows from the pinned layer 11B toward the pinned layer 11A. In addition, when the read voltage Vr is biased, both the first and second units U1 and U2 are in an inverse state.

従って、第1ユニットU1では、ピンド層11Aとフリー層12との磁化状態が反平行であるため、低抵抗状態になり、第2ユニットU2では、ピンド層11Bとフリー層12との磁化状態が反平行であるため、低抵抗状態になる。   Accordingly, in the first unit U1, since the magnetization state of the pinned layer 11A and the free layer 12 is antiparallel, the resistance state is low, and in the second unit U2, the magnetization state of the pinned layer 11B and the free layer 12 is Since it is antiparallel, it will be in a low resistance state.

つまり、いずれも低抵抗状態になるため、第1及び第2ユニットU1,U2とでMR比が相殺されることがなく、書き込み電流の低減と読み出し時のMR比の向上との両立を図ることができる。   That is, since both are in a low resistance state, the MR ratio is not canceled by the first and second units U1 and U2, and both reduction in write current and improvement in MR ratio at the time of reading are achieved. Can do.

尚、図13及び図14の書き込み時の状態として、第1ユニットU1をインバース状態とし、第2ユニットU2をノーマル状態としてもよい。   As a state at the time of writing in FIG. 13 and FIG. 14, the first unit U1 may be in an inverse state and the second unit U2 may be in a normal state.

この場合、書き込み時に図13に示すようなバイアス条件を与えると、フリー層12の磁化方向は、紙面上向きではなく、紙面下向きに変化する。また、書き込み時に図14に示すようなバイアス条件を与えると、フリー層12の磁化方向は、紙面下向きではなく、紙面上向きに変化する。   In this case, when a bias condition as shown in FIG. 13 is given at the time of writing, the magnetization direction of the free layer 12 changes not upward on the paper but downward on the paper. Further, when a bias condition as shown in FIG. 14 is given at the time of writing, the magnetization direction of the free layer 12 changes not upward on the paper but upward on the paper.

また、読み出し電圧Vrについては、ピンド層11Aを低い電位にし、ピンド層11Bを高い電位にしたが、これに代えて、ピンド層11Aを高い電位にし、ピンド層11Bを低い電位にしてもよい。   As for the read voltage Vr, the pinned layer 11A is set to a low potential and the pinned layer 11B is set to a high potential, but instead, the pinned layer 11A may be set to a high potential and the pinned layer 11B may be set to a low potential.

(3) MR比のバイアス依存性の制御
本発明の例では、第1及び第2ユニットのMR比の1つはバイアス依存性を有し、第1及び第2ユニットのMR比のうちバイアス依存性を有するものは、読み出し電圧と書き込み電圧との間の領域で、ノーマル状態及びインバース状態のうちの一方から他方に変化する。
(3) Control of bias dependence of MR ratio
In the example of the present invention, one of the MR ratios of the first and second units has a bias dependency, and one of the MR ratios of the first and second units has a bias dependency is the read voltage and the write voltage Between the normal state and the inverse state, the region changes from one to the other.

ここでは、このようなバイアス電圧に対するTMR特性を実現するための方法の例について述べる。   Here, an example of a method for realizing the TMR characteristic with respect to such a bias voltage will be described.

磁気フリー層/トンネルバリア層/磁気ピンド層の基本構造を有するトンネル磁気抵抗効果素子については、以下の2種類を実現できる。   The following two types of tunnel magnetoresistive elements having the basic structure of magnetic free layer / tunnel barrier layer / magnetic pinned layer can be realized.

一つは、低バイアス時にノーマルTMR効果を有し、高バイアス時にインバースTMR効果を有する磁気抵抗効果素子である。
他の一つは、低バイアス時にインバースTMR効果を有し、高バイアス時にノーマルTMR効果を有する磁気抵抗効果素子である。
One is a magnetoresistive effect element having a normal TMR effect at a low bias and an inverse TMR effect at a high bias.
The other is a magnetoresistive element having an inverse TMR effect at a low bias and a normal TMR effect at a high bias.

トンネル磁気抵抗効果素子がノーマル状態になるか、又は、インバース状態になるかは、トンネルバリア層を構成する材料の電気伝導特性に支配的に影響される場合と、トンネルバリア層と磁気フリー層との界面及びトンネルバリア層と磁気ピンド層との界面における電子の準位に支配的に影響される場合とがある。   Whether the tunnel magnetoresistive element is in a normal state or an inverse state is influenced by the electrical conduction characteristics of the material constituting the tunnel barrier layer, and the tunnel barrier layer and the magnetic free layer. And the electron level at the interface between the tunnel barrier layer and the magnetic pinned layer.

前者の場合には、トンネルバリア層を構成する材料の選択により、トンネル磁気抵抗効果素子のMR比のバイアス依存性を制御できる。   In the former case, the bias dependence of the MR ratio of the tunnel magnetoresistive element can be controlled by selecting the material constituting the tunnel barrier layer.

また、後者の場合には、磁気ピンド層、トンネルバリア層及び磁気フリー層の材料の組み合せを変えることにより、トンネル磁気抵抗効果素子のMR比のバイアス依存性を制御できる。   In the latter case, the bias dependency of the MR ratio of the tunnel magnetoresistive element can be controlled by changing the combination of materials of the magnetic pinned layer, the tunnel barrier layer, and the magnetic free layer.

低バイアス時において、ノーマルTMR効果が発生するトンネルバリア層の典型例としては、Al2O3, TiO2, MgO, CaO, SrO, TiO などの酸化物がある。 Typical examples of the tunnel barrier layer in which the normal TMR effect occurs at low bias include oxides such as Al 2 O 3 , TiO 2 , MgO, CaO, SrO, and TiO.

このような酸化物から構成されるトンネルバリア層は、例えば、Co1-a-bFeaNib/酸化物/Co1-a-bFeaNib、Co1-a-bFeaNib/Al2O3/La1-xSrxMnO3という形でよく使用される。 Tunnel barrier layers composed of such oxides are, for example, Co 1-ab Fe a Ni b / oxide / Co 1-ab Fe a Ni b , Co 1-ab Fe a Ni b / Al 2 O 3 It is often used in the form of / La 1-x Sr x MnO 3 .

低バイアス時において、インバースTMR効果が発生する基本ユニットとしては、Co1-a-bFeaNib/SrTiO3/La1-xSrxMo3, Co1-a-bFeaNib/Zr1-xOx/Co1-a-bFeaNibなどがある。これらは、作成方法を工夫することにより、高バイアス時にノーマルTMR効果を発生させることが可能である。 The basic unit that generates the inverse TMR effect at low bias is Co 1-ab Fe a Ni b / SrTiO 3 / La 1-x Sr x Mo 3 , Co 1-ab Fe a Ni b / Zr 1-x O x / Co 1-ab Fe a Ni b . These can generate a normal TMR effect at the time of high bias by devising a creation method.

また、コスパッタなどの材料を使用して、インバースTMR効果を発生させる材料とノーマルTMR効果を有する材料とを混合してトンネルバリア層を形成することもできる。   In addition, a material such as cosputtering can be used to form a tunnel barrier layer by mixing a material that generates an inverse TMR effect and a material that has a normal TMR effect.

ところで、このような材料の選択のみでMR比のバイアス依存性を制御する場合には、読み出し電圧及び書き込み電圧が低電圧化されるなか、これら電圧の間でTMR特性をノーマル状態及びインバース状態の一方から他方に安定的に変化させることが難しい現状がある。   By the way, when the bias dependency of the MR ratio is controlled only by selecting such a material, the TMR characteristics between the normal state and the inverse state are reduced between the read voltage and the write voltage. There is a current situation where it is difficult to change from one to the other stably.

その対策としては、それぞれ異なるバイアス依存性を有する2つ以上のユニットを組み合わせることが考えられる。この場合、TMR特性(インバース/ノーマル)の切り替えが理想的なポイント(バイアス電圧)で行われるトンネル磁気抵抗効果素子を製造できる。   As a countermeasure, it is conceivable to combine two or more units having different bias dependencies. In this case, it is possible to manufacture a tunnel magnetoresistive element in which switching of TMR characteristics (inverse / normal) is performed at an ideal point (bias voltage).

例えば、図15に示すように、小さなバイアス依存性を有し、低バイアス時にノーマルTMR効果を有するユニット(同図(a))と、大きなバイアス依存性を有し、低バイアス時にインバースTMR効果を有するユニット(同図(b))とを組み合わせると、インバース状態からノーマル状態への変化点Vc1を、書き込み電圧Vw“0”(or Vw“1”)と読み出し電圧Vrとの間に容易に設定できる(同図(c))。   For example, as shown in FIG. 15, a unit (a) having a small bias dependency and having a normal TMR effect at a low bias, and an inverse TMR effect at a low bias and having a large bias dependency. When combined with the unit having the same (FIG. 5B), the transition point Vc1 from the inverse state to the normal state is easily set between the write voltage Vw “0” (or Vw “1”) and the read voltage Vr. Yes ((c) in the figure).

また、図16に示すように、大きなバイアス依存性を有し、低バイアス時にノーマルTMR効果を有するユニット(同図(a))と、小さなバイアス依存性を有し、低バイアス時にインバースTMR効果を有するユニット(同図(b))とを組み合わせると、ノーマル状態からインバース状態への変化点Vc1を、書き込み電圧Vw“1”(or Vw“0”)1と読み出し電圧Vrとの間に容易に設定できる(同図(c))。   Further, as shown in FIG. 16, a unit (a) having a large bias dependency and having a normal TMR effect at a low bias and an inverse TMR effect at a low bias and having a small bias dependency. When combined with the unit having the same (FIG. 5B), the transition point Vc1 from the normal state to the inverse state can be easily changed between the write voltage Vw “1” (or Vw “0”) 1 and the read voltage Vr. It can be set ((c) in the figure).

ここで、2つの書き込み電圧Vw“0”,Vw“1”が存在するのは、スピン注入書き込み方式では、書き込みデータ“0”,“1”に応じて、書き込み電流(スピン注入電流)の向きを変えることに起因する。   Here, the two write voltages Vw “0” and Vw “1” are present in the spin injection write method in the direction of the write current (spin injection current) according to the write data “0” and “1”. Due to changing.

即ち、第1データ“0”を書き込むときは、書き込み電圧(例えば、正のバイアス電圧)Vw“0”を磁気抵抗効果素子に印加し、第2データ“1”を書き込むときは、書き込み電圧(例えば、負のバイアス電圧)Vw“1”を磁気抵抗効果素子に印加する。   That is, when the first data “0” is written, a write voltage (for example, a positive bias voltage) Vw “0” is applied to the magnetoresistive element, and when the second data “1” is written, the write voltage ( For example, a negative bias voltage (Vw “1”) is applied to the magnetoresistive element.

書き込み電圧Vw“0”,Vw“1”の値については、MR比のバイアス依存性(変化点Vc1,Vc2)を考慮して、最適な値に設定する。また、読み出し電圧Vrについては、マージンなどを考慮して、正バイアス側及び負バイアス側のいずれか一方に設定する。   The values of the write voltages Vw “0” and Vw “1” are set to optimum values in consideration of the bias dependency of the MR ratio (change points Vc1 and Vc2). Further, the read voltage Vr is set to either the positive bias side or the negative bias side in consideration of a margin or the like.

1つの基本ユニットでノーマルTMR効果とインバースTMR効果をバイアス電圧に応じて発生させるには、トンネルバリア層とフリー層との間又はトンネルバリア層とピンド層との間に非磁性金属層を挿入した場合に現れるTMR比の振動を利用することもできる。   In order to generate the normal TMR effect and the inverse TMR effect according to the bias voltage in one basic unit, a nonmagnetic metal layer is inserted between the tunnel barrier layer and the free layer or between the tunnel barrier layer and the pinned layer. The vibration of the TMR ratio that appears in the case can also be used.

例えば、Co1-a-bFeaNib/Al2O3/Cu/Co1-a-bFeaNibという基本ユニットの場合、Cuの厚さを制御することにより、TMR比を正負の間で振動させることが可能である。 For example, in the case of the basic unit of Co 1-ab Fe a Ni b / Al 2 O 3 / Cu / Co 1-ab Fe a Ni b , the TMR ratio is vibrated between positive and negative by controlling the thickness of Cu. It is possible to make it.

また、Co1-a-bFeaNib/MgO/非磁性金属/Co1-a-bFeaNibという基本ユニット(但し、非磁性金属は、Au, Ru, Pt, Ir, Cu, Ag, Rh, Os のうちの1つとする。)の場合においても、非磁性金属の厚さを制御することにより、TMR比を正負の間で振動させることが可能である。 The basic unit Co 1-ab Fe a Ni b / MgO / non-magnetic metal / Co 1-ab Fe a Ni b (however, non-magnetic metals are Au, Ru, Pt, Ir, Cu, Ag, Rh, In the case of Os), it is possible to vibrate the TMR ratio between positive and negative by controlling the thickness of the nonmagnetic metal.

非磁性金属の代わりに、非磁性酸化物、例えば、CoO, NiO, MnO, CrO, FeO, VO, TiO を用いた場合でも、低バイアス時にノーマルTMR効果、高バイアス時にインバースTMR効果を発生させることができる。   Even when nonmagnetic oxides such as CoO, NiO, MnO, CrO, FeO, VO, TiO are used instead of nonmagnetic metals, the normal TMR effect is generated at low bias and the inverse TMR effect is generated at high bias. Can do.

例えば、Co1-a-bFeaNib/MgO/非磁性酸化物/Co1-a-bFeaNibという基本ユニットの場合、MgOは、NaCl構造を有し、(100)面優先配向しているため、非磁性酸化物としても、NaCl構造を有し、(100)面優先配向していることが望ましい。 For example, in the case of the basic unit Co 1-ab Fe a Ni b / MgO / non-magnetic oxide / Co 1-ab Fe a Ni b , MgO has a NaCl structure and is preferentially oriented in the (100) plane. Therefore, it is desirable that the nonmagnetic oxide also has a NaCl structure and is preferentially oriented in the (100) plane.

上述のCoO, NiO, MnO, CrO, FeO, VO, TiOは、NaCl構造を有する。これらの材料は、XPSやXMCDなどの分析による電子状態解析や磁化配列解析により反強磁性的な磁気特性又は電子状態を取ることが確認されている。   CoO, NiO, MnO, CrO, FeO, VO, and TiO described above have a NaCl structure. These materials have been confirmed to have antiferromagnetic magnetic properties or electronic states by an electronic state analysis or an analysis of magnetization arrangement by XPS or XMCD analysis.

尚、NaCl構造を有するトンネルバリア層としては、MgOの他に、CaO, SrO, EuO, TiOなどが知られている。   As the tunnel barrier layer having the NaCl structure, CaO, SrO, EuO, TiO, etc. are known in addition to MgO.

非磁性酸化物は、トンネルバリア層とフリー層との間又はトンネルバリア層とピンド層との間に、非磁性金属、例えば、Co, Ni, Mn, Cr, Fe, V, Tiを形成した後に、これら非磁性金属を酸化することにより形成される。   The nonmagnetic oxide is formed after a nonmagnetic metal such as Co, Ni, Mn, Cr, Fe, V, Ti is formed between the tunnel barrier layer and the free layer or between the tunnel barrier layer and the pinned layer. It is formed by oxidizing these nonmagnetic metals.

また、非磁性酸化物は、フリー層又はピンド層上に直接堆積させることもできる。   The nonmagnetic oxide can also be deposited directly on the free layer or pinned layer.

ピンド層及びフリー層のうちの少なくとも1つは、磁性層/中間層/磁性層という構造を有していてもよい。この場合、2つの磁性層は、中間層を介して互いに磁気結合を有する。   At least one of the pinned layer and the free layer may have a structure of magnetic layer / intermediate layer / magnetic layer. In this case, the two magnetic layers have a magnetic coupling with each other via the intermediate layer.

例えば、2つの磁性層が反強磁性結合するSAF(Synthetic anti-ferromagnetic)構造をピンド層及びフリー層のうちの少なくとも1つに採用できる。SAF構造としては、主に、Co1-a-bFeaNib/Ru/Co1-a-bFeaNib, Co1-a-bFeaNib/Os/Co1-a-bFeaNib, Co1-a-bFeaNib/Ir/Co1-a-bFeaNibがよく使用される。 For example, a SAF (Synthetic anti-ferromagnetic) structure in which two magnetic layers are antiferromagnetically coupled can be employed in at least one of the pinned layer and the free layer. The SAF structure mainly includes Co 1-ab Fe a Ni b / Ru / Co 1-ab Fe a Ni b , Co 1-ab Fe a Ni b / Os / Co 1-ab Fe a Ni b , Co 1 -ab Fe a Ni b / Ir / Co 1-ab Fe a Ni b is often used.

ピンド層及びフリー層は、多層構造、例えば、[Co1-a-bFeaNib/Cr]n, [Co1-a-bFeaNib/Ru]n(但し、nは、[]内の構造がn段に積層されていることを意味する。)を有する構造であってもよい。磁性層の厚さを最適化すれば、所望のバイアス依存性を得ることができる。特に、トンネルバリア層と接触する磁性層の厚さとトンネルバリア層に接触しない磁性層の厚さの比が重要になる。 The pinned layer and the free layer have a multilayer structure, for example, [Co 1-ab Fe a Ni b / Cr] n, [Co 1-ab Fe a Ni b / Ru] n (where n is a structure in [] May be stacked in n stages.). If the thickness of the magnetic layer is optimized, a desired bias dependency can be obtained. In particular, the ratio between the thickness of the magnetic layer in contact with the tunnel barrier layer and the thickness of the magnetic layer not in contact with the tunnel barrier layer is important.

5. 実施例
以下、実施例について説明する。
各実施例において、ピンド層内及びフリー層内の矢印は、磁化の向きを示している。
5. Example
Examples will be described below.
In each embodiment, arrows in the pinned layer and the free layer indicate the direction of magnetization.

(1) 第1実施例
図17は、第1実施例を示している。
(1) First embodiment
FIG. 17 shows the first embodiment.

第1実施例では、2つのピンド層11A,11Bの磁化方向を互いに逆向きに設定する。ピンド層11A,11B及びフリー層12の残留磁化の磁化方向(磁化容易軸方向)は、これらがスタックされる方向(垂直磁化)とする。   In the first embodiment, the magnetization directions of the two pinned layers 11A and 11B are set to be opposite to each other. The magnetization direction of the residual magnetization (the easy axis direction) of the pinned layers 11A and 11B and the free layer 12 is the direction in which they are stacked (perpendicular magnetization).

また、スペーサ層(非磁性層)13A,13Bは、トンネルバリア層とし、例えば、MgO, AlOxなどの絶縁体又はGa, Geなどの半導体から構成する。この場合、第1及び第2ユニットU1,U2は、共に、バイアス依存性を有する。   The spacer layers (nonmagnetic layers) 13A and 13B are tunnel barrier layers, and are made of, for example, an insulator such as MgO or AlOx or a semiconductor such as Ga or Ge. In this case, both the first and second units U1, U2 have a bias dependency.

第1ユニットU1のMR比のバイアス依存性は、低バイアス状態においてインバースTMR特性を示し、高バイアス状態においてノーマルTMR特性を示す。   The bias dependence of the MR ratio of the first unit U1 exhibits inverse TMR characteristics in the low bias state and normal TMR characteristics in the high bias state.

特性が切り替わる正バイアス側のポイントVc1は、書き込み電圧Vw“1”と読み出し電圧Vrとの間にある。また、特性が切り替わる負バイアス側のポイントVc2は、書き込み電圧Vw“0”よりも低い領域にある。   The point Vc1 on the positive bias side where the characteristic is switched is between the write voltage Vw “1” and the read voltage Vr. Further, the negative bias side point Vc2 at which the characteristic is switched is in a region lower than the write voltage Vw “0”.

第2ユニットU2のMR比のバイアス依存性は、低バイアス状態においてノーマルTMR特性を示し、高バイアス状態においてインバースTMR特性を示す。   The bias dependence of the MR ratio of the second unit U2 shows normal TMR characteristics in the low bias state and inverse TMR characteristics in the high bias state.

第2ユニットU2では、特性が切り替わるポイントは、書き込み電圧Vw“1”,Vw“0”よりも十分に高い領域にある。   In the second unit U2, the point at which the characteristics are switched is in a region sufficiently higher than the write voltages Vw “1” and Vw “0”.

このような磁気抵抗効果素子に書き込み電圧(正のバイアス電圧)Vw“1”を与えると、第1ユニットU1の磁化状態は平行、第2ユニットU2の磁化状態は反平行になり、データ“1”が書き込まれる。   When a write voltage (positive bias voltage) Vw “1” is applied to such a magnetoresistive effect element, the magnetization state of the first unit U1 becomes parallel, the magnetization state of the second unit U2 becomes antiparallel, and data “1” "Is written.

また、磁気抵抗効果素子に書き込み電圧(負のバイアス電圧)Vw“0”を与えると、第1ユニットU1の磁化状態は反平行、第2ユニットU2の磁化状態は平行になり、データ“0”が書き込まれる。   Further, when a write voltage (negative bias voltage) Vw “0” is applied to the magnetoresistive effect element, the magnetization state of the first unit U1 becomes antiparallel, the magnetization state of the second unit U2 becomes parallel, and data “0”. Is written.

読み出し電圧Vrをバイアスしたときには、第1ユニットU1は、インバース状態、第2ユニットU2は、ノーマル状態になるため、データ“0”は低抵抗状態、データ“1”は高抵抗状態になる。   When the read voltage Vr is biased, the first unit U1 is in an inverse state and the second unit U2 is in a normal state, so that data “0” is in a low resistance state and data “1” is in a high resistance state.

(2) 第2実施例
図18は、第2実施例を示している。
(2) Second embodiment
FIG. 18 shows a second embodiment.

第2実施例では、2つのピンド層11A,11Bの磁化方向を互いに同じ向きに設定する。ピンド層11A,11B及びフリー層12の残留磁化の磁化方向(磁化容易軸方向)は、これらがスタックされる方向(垂直磁化)とする。   In the second embodiment, the magnetization directions of the two pinned layers 11A and 11B are set to the same direction. The magnetization direction of the residual magnetization (the easy axis direction) of the pinned layers 11A and 11B and the free layer 12 is the direction in which they are stacked (perpendicular magnetization).

また、スペーサ層(非磁性層)13A,13Bは、トンネルバリア層とし、例えば、MgO, AlOxなどの絶縁体又はGa, Geなどの半導体から構成する。この場合、第1及び第2ユニットU1,U2は、共に、バイアス依存性を有する。   The spacer layers (nonmagnetic layers) 13A and 13B are tunnel barrier layers, and are made of, for example, an insulator such as MgO or AlOx or a semiconductor such as Ga or Ge. In this case, both the first and second units U1, U2 have a bias dependency.

第1及び第2ユニットU1,U2のMR比のバイアス依存性は、低バイアス状態においてノーマルTMR特性を示し、高バイアス状態においてインバースTMR特性を示す。   The bias dependence of the MR ratio of the first and second units U1, U2 shows normal TMR characteristics in the low bias state and inverse TMR characteristics in the high bias state.

但し、第1ユニットU1では、特性が切り替わるポイントは、書き込み電圧Vw“0”,Vw“1”よりも十分に高い領域にある。   However, in the first unit U1, the point at which the characteristics are switched is in a region sufficiently higher than the write voltages Vw “0” and Vw “1”.

これに対し、第2ユニットU2では、特性が切り替わる正バイアス側のポイントVc1は、書き込み電圧Vw“0”と読み出し電圧Vrとの間にある。また、特性が切り替わる負バイアス側のポイントVc2は、書き込み電圧Vw“1”よりも低い領域にある。   On the other hand, in the second unit U2, the point Vc1 on the positive bias side where the characteristic is switched is between the write voltage Vw “0” and the read voltage Vr. Further, the point Vc2 on the negative bias side where the characteristic is switched is in a region lower than the write voltage Vw “1”.

このような磁気抵抗効果素子に書き込み電圧(正のバイアス電圧)Vw“0”を与えると、第1及び第2ユニットU1,U2の磁化状態は、共に、平行になり、データ“0”が書き込まれる。   When a write voltage (positive bias voltage) Vw “0” is applied to such a magnetoresistive element, the magnetization states of the first and second units U1 and U2 are both parallel, and data “0” is written. It is.

また、磁気抵抗効果素子に書き込み電圧(負のバイアス電圧)Vw“1”を与えると、第1及び第2ユニットU1,U2の磁化状態は、共に、反平行になり、データ“1”が書き込まれる。   When a write voltage (negative bias voltage) Vw “1” is applied to the magnetoresistive effect element, the magnetization states of the first and second units U1 and U2 are both antiparallel, and data “1” is written. It is.

読み出し電圧Vrをバイアスしたときには、第1及び第2ユニットU1,U2は、共に、ノーマル状態になるため、データ“0”は低抵抗状態、データ“1”は高抵抗状態になる。   When the read voltage Vr is biased, the first and second units U1, U2 are both in the normal state, so that the data “0” is in the low resistance state and the data “1” is in the high resistance state.

(3) 第3実施例
図19は、第3実施例を示している。
(3) Third embodiment
FIG. 19 shows a third embodiment.

第3実施例では、2つのピンド層11A,11Bの磁化方向を互いに逆向きに設定する。ピンド層11A,11B及びフリー層12の残留磁化の磁化方向(磁化容易軸方向)は、これらがスタックされる方向(垂直磁化)とする。   In the third embodiment, the magnetization directions of the two pinned layers 11A and 11B are set to be opposite to each other. The magnetization direction of the residual magnetization (the easy axis direction) of the pinned layers 11A and 11B and the free layer 12 is the direction in which they are stacked (perpendicular magnetization).

また、スペーサ層(非磁性層)13Aは、トンネルバリア層とし、例えば、MgO, AlOxなどの絶縁体又はGa, Geなどの半導体から構成する。これに対し、スペーサ層(非磁性層)13Bは、メタルスペーサ層とし、例えば、Cu, Auなどの導電体から構成する。この場合、第1ユニットU1のみがバイアス依存性を有する。   The spacer layer (nonmagnetic layer) 13A is a tunnel barrier layer and is made of, for example, an insulator such as MgO or AlOx or a semiconductor such as Ga or Ge. On the other hand, the spacer layer (nonmagnetic layer) 13B is a metal spacer layer and is made of a conductor such as Cu or Au. In this case, only the first unit U1 has a bias dependency.

第1ユニットU1のMR比のバイアス依存性は、低バイアス状態においてノーマルTMR特性を示し、高バイアス状態においてインバースTMR特性を示す。   The bias dependence of the MR ratio of the first unit U1 exhibits normal TMR characteristics in the low bias state and inverse TMR characteristics in the high bias state.

特性が切り替わる正バイアス側のポイントVc1は、書き込み電圧Vw“1”と読み出し電圧Vrとの間にある。また、特性が切り替わる負バイアス側のポイントVc2は、書き込み電圧Vw“0”よりも低い領域にある。   The point Vc1 on the positive bias side where the characteristic is switched is between the write voltage Vw “1” and the read voltage Vr. Further, the negative bias side point Vc2 at which the characteristic is switched is in a region lower than the write voltage Vw “0”.

第2ユニットU2のMR比は、バイアス電圧によらず、一定であり、常に、インバースTMR特性を示す。   The MR ratio of the second unit U2 is constant regardless of the bias voltage, and always shows an inverse TMR characteristic.

このような磁気抵抗効果素子に書き込み電圧(正のバイアス電圧)Vw“1”を与えると、第1ユニットU1の磁化状態は反平行、第2ユニットU2の磁化状態は平行になり、データ“1”が書き込まれる。   When a write voltage (positive bias voltage) Vw “1” is applied to such a magnetoresistive effect element, the magnetization state of the first unit U1 becomes antiparallel, the magnetization state of the second unit U2 becomes parallel, and data “1” "Is written.

また、磁気抵抗効果素子に書き込み電圧(負のバイアス電圧)Vw“0”を与えると、第1ユニットU1の磁化状態は平行、第2ユニットU2の磁化状態は反平行になり、データ“0”が書き込まれる。   When a write voltage (negative bias voltage) Vw “0” is applied to the magnetoresistive effect element, the magnetization state of the first unit U1 becomes parallel, the magnetization state of the second unit U2 becomes antiparallel, and data “0”. Is written.

読み出し電圧Vrをバイアスしたときには、第1ユニットU1は、ノーマル状態、第2ユニットU2は、インバース状態になるため、データ“1”は高抵抗状態、データ“0”は低抵抗状態になる。   When the read voltage Vr is biased, the first unit U1 is in the normal state and the second unit U2 is in the inverse state, so that the data “1” is in the high resistance state and the data “0” is in the low resistance state.

(4) 第4実施例
図20は、第4実施例を示している。
(4) Fourth embodiment
FIG. 20 shows a fourth embodiment.

第4実施例では、2つのピンド層11A,11Bの磁化方向を互いに同じ向きに設定する。ピンド層11A,11B及びフリー層12の残留磁化の磁化方向(磁化容易軸方向)は、これらがスタックされる方向(垂直磁化)とする。   In the fourth embodiment, the magnetization directions of the two pinned layers 11A and 11B are set to the same direction. The magnetization direction of the residual magnetization (the easy axis direction) of the pinned layers 11A and 11B and the free layer 12 is the direction in which they are stacked (perpendicular magnetization).

また、スペーサ層(非磁性層)13Aは、トンネルバリア層とし、例えば、MgO, AlOxなどの絶縁体又はGa, Geなどの半導体から構成する。これに対し、スペーサ層(非磁性層)13Bは、メタルスペーサ層とし、例えば、Cu, Auなどの導電体から構成する。この場合、第1ユニットU1のみがバイアス依存性を有する。   The spacer layer (nonmagnetic layer) 13A is a tunnel barrier layer and is made of, for example, an insulator such as MgO or AlOx or a semiconductor such as Ga or Ge. On the other hand, the spacer layer (nonmagnetic layer) 13B is a metal spacer layer and is made of a conductor such as Cu or Au. In this case, only the first unit U1 has a bias dependency.

第1ユニットU1のMR比のバイアス依存性は、低バイアス状態においてノーマルTMR特性を示し、高バイアス状態においてインバースTMR特性を示す。   The bias dependence of the MR ratio of the first unit U1 exhibits normal TMR characteristics in the low bias state and inverse TMR characteristics in the high bias state.

特性が切り替わる正バイアス側のポイントVc1は、書き込み電圧Vw“1”と読み出し電圧Vrとの間にある。また、特性が切り替わる負バイアス側のポイントVc2は、書き込み電圧Vw“0”よりも低い領域にある。   The point Vc1 on the positive bias side where the characteristic is switched is between the write voltage Vw “1” and the read voltage Vr. Further, the negative bias side point Vc2 at which the characteristic is switched is in a region lower than the write voltage Vw “0”.

第2ユニットU2のMR比は、バイアス電圧によらず、一定であり、常に、ノーマルTMR特性を示す。   The MR ratio of the second unit U2 is constant regardless of the bias voltage, and always exhibits normal TMR characteristics.

このような磁気抵抗効果素子に書き込み電圧(正のバイアス電圧)Vw“1”を与えると、第1及び第2ユニットU1,U2の磁化状態は、共に、反平行になり、データ“1”が書き込まれる。   When a write voltage (positive bias voltage) Vw “1” is applied to such a magnetoresistive effect element, the magnetization states of the first and second units U1 and U2 are both antiparallel, and data “1” is stored. Written.

また、磁気抵抗効果素子に書き込み電圧(負のバイアス電圧)Vw“0”を与えると、第1及び第2ユニットU1,U2の磁化状態は、共に、平行になり、データ“0”が書き込まれる。   When a write voltage (negative bias voltage) Vw “0” is applied to the magnetoresistive effect element, the magnetization states of the first and second units U1 and U2 are both parallel and data “0” is written. .

読み出し電圧Vrをバイアスしたときには、第1及び第2ユニットU1,U2は、共に、ノーマル状態になるため、データ“1”は高抵抗状態、データ“0”は低抵抗状態になる。   When the read voltage Vr is biased, both the first and second units U1, U2 are in the normal state, so that the data “1” is in the high resistance state and the data “0” is in the low resistance state.

(5) 第5実施例
図21は、第5実施例を示している。
(5) Fifth embodiment
FIG. 21 shows a fifth embodiment.

第5実施例では、2つのピンド層11A,11Bの磁化方向を互いに逆向きに設定する。ピンド層11A,11Bの磁化方向は、反強磁性層14により固着する。また、ピンド層11A,11B及びフリー層12の残留磁化の磁化方向(磁化容易軸方向)は、これらがスタックされる方向に対して垂直な方向(面内磁化)とする。   In the fifth embodiment, the magnetization directions of the two pinned layers 11A and 11B are set to be opposite to each other. The magnetization directions of the pinned layers 11A and 11B are fixed by the antiferromagnetic layer 14. In addition, the magnetization direction (easy magnetization axis direction) of the residual magnetization of the pinned layers 11A and 11B and the free layer 12 is a direction perpendicular to the direction in which they are stacked (in-plane magnetization).

ピンド層11Aは、強磁性層/非磁性層/強磁性層の3層構造を有し、2つの強磁性層は、非磁性層を介して互いに磁気結合している。本例では、ピンド層11Aは、2つの強磁性層の磁化方向が互いに逆向きになるSAF(synthetic anti-ferromagnetic)結合を有する。   The pinned layer 11A has a three-layer structure of ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer, and the two ferromagnetic layers are magnetically coupled to each other via the nonmagnetic layer. In this example, the pinned layer 11A has SAF (synthetic anti-ferromagnetic) coupling in which the magnetization directions of the two ferromagnetic layers are opposite to each other.

ピンド層11Bは、強磁性層/非磁性層/強磁性層/非磁性層/強磁性層の5層構造を有し、非磁性層の両側に存在する2つの強磁性層は、互いに磁気結合している。本例では、ピンド層11Bは、2つの強磁性層の磁化方向が互いに逆向きになるSAF結合を有する。   The pinned layer 11B has a five-layer structure of ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer, and the two ferromagnetic layers present on both sides of the nonmagnetic layer are magnetically coupled to each other. is doing. In this example, the pinned layer 11B has SAF coupling in which the magnetization directions of the two ferromagnetic layers are opposite to each other.

ピンド層11A,11Bを強磁性層/非磁性層/強磁性層構造にすると、熱的に磁化状態が安定し、外部磁界に対するゆらぎが発生し難くなる。具体的には、強磁性層の端部の磁化が単磁区構造に近くなるため、静磁結合により外部からの見かけ上の飽和磁化を零にすることができる。   If the pinned layers 11A and 11B have a ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer structure, the magnetization state is thermally stabilized, and fluctuations with respect to an external magnetic field are less likely to occur. Specifically, since the magnetization at the end of the ferromagnetic layer is close to a single domain structure, the apparent saturation magnetization from the outside can be made zero by magnetostatic coupling.

ピンド層11A内の強磁性層/非磁性層/強磁性層構造の数(本例では1つ)は、ピンド層11B内の強磁性層/非磁性層/強磁性層構造の数(本例では2つ)と異ならせるのが望ましい。   The number of ferromagnetic layers / nonmagnetic layers / ferromagnetic layer structures in pinned layer 11A (one in this example) is the number of ferromagnetic layers / nonmagnetic layers / ferromagnetic layer structures in pinned layer 11B (in this example). Then, it is desirable to make it different from 2).

第1及び第2ユニットU1,U2の磁化状態については、フリー層12の磁化方向が、スペーサ層(非磁性層)13A,13Bに隣接する強磁性層の磁化方向に対してどのようになっているか、により決定される。   As for the magnetization states of the first and second units U1 and U2, how the magnetization direction of the free layer 12 is relative to the magnetization direction of the ferromagnetic layer adjacent to the spacer layers (nonmagnetic layers) 13A and 13B. Or is determined by.

つまり、第1ユニットU1の磁化状態は、スペーサ層13Aに隣接する2つの強磁性層の磁化方向により決まり、第2ユニットU2の磁化状態は、スペーサ層13Bに隣接する2つの強磁性層の磁化方向により決まる。   That is, the magnetization state of the first unit U1 is determined by the magnetization directions of the two ferromagnetic layers adjacent to the spacer layer 13A, and the magnetization state of the second unit U2 is the magnetization of the two ferromagnetic layers adjacent to the spacer layer 13B. It depends on the direction.

フリー層12の強磁性層は、単層構造及び積層構造のいずれでも構わない。また、フリー層12を強磁性層/非磁性層/強磁性層構造とし、2つの強磁性層に磁気相互作用を持たせてもよい。   The ferromagnetic layer of the free layer 12 may have either a single layer structure or a laminated structure. Further, the free layer 12 may have a ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer structure, and the two ferromagnetic layers may have a magnetic interaction.

ピンド層11A,11B内の強磁性層は、fcc-Co, hcp-Co, bcc-Fe, fcc-CoFe合金, bcc-CoFe合金, アモルファスCoFeB合金などの強磁性材料から構成する。ピンド層11A,11B内の非磁性層は、Ru, Ir, Osなどの導電体から構成する。反強磁性層は、PtMn, IrMn, NiMn, FeMn, PtCrMn, RhMn, FeRhなどの反強磁性材料から構成する。   The ferromagnetic layers in the pinned layers 11A and 11B are made of a ferromagnetic material such as fcc-Co, hcp-Co, bcc-Fe, fcc-CoFe alloy, bcc-CoFe alloy, and amorphous CoFeB alloy. The nonmagnetic layers in the pinned layers 11A and 11B are made of a conductor such as Ru, Ir, or Os. The antiferromagnetic layer is made of an antiferromagnetic material such as PtMn, IrMn, NiMn, FeMn, PtCrMn, RhMn, or FeRh.

また、スペーサ層(非磁性層)13A,13Bは、トンネルバリア層とし、例えば、MgO, AlOxなどの絶縁体又はGa, Geなどの半導体から構成する。この場合、第1及び第2ユニット(TMRユニット)U1,U2は、共に、バイアス依存性を有する。   The spacer layers (nonmagnetic layers) 13A and 13B are tunnel barrier layers, and are made of, for example, an insulator such as MgO or AlOx or a semiconductor such as Ga or Ge. In this case, both the first and second units (TMR units) U1 and U2 have bias dependency.

第1ユニットU1のMR比のバイアス依存性は、低バイアス状態においてノーマルTMR特性を示し、高バイアス状態においてインバースTMR特性を示す。   The bias dependence of the MR ratio of the first unit U1 exhibits normal TMR characteristics in the low bias state and inverse TMR characteristics in the high bias state.

第1ユニットU1では、特性が切り替わるポイントは、書き込み電圧Vw“0”,Vw“1”よりも十分に高い領域にある。   In the first unit U1, the point at which the characteristics are switched is in a region sufficiently higher than the write voltages Vw “0” and Vw “1”.

第2ユニットU2のMR比のバイアス依存性は、低バイアス状態においてインバースTMR特性を示し、高バイアス状態においてノーマルTMR特性を示す。   The bias dependence of the MR ratio of the second unit U2 exhibits inverse TMR characteristics in the low bias state and normal TMR characteristics in the high bias state.

特性が切り替わる正バイアス側のポイントVc1は、書き込み電圧Vw“0”と読み出し電圧Vrとの間にある。また、特性が切り替わる負バイアス側のポイントVc2は、書き込み電圧Vw“1”よりも低い領域にある。   The point Vc1 on the positive bias side where the characteristic is switched is between the write voltage Vw “0” and the read voltage Vr. Further, the point Vc2 on the negative bias side where the characteristic is switched is in a region lower than the write voltage Vw “1”.

このような磁気抵抗効果素子に書き込み電圧(正のバイアス電圧)Vw“0”を与えると、第1ユニットU1の磁化状態は平行、第2ユニットU2の磁化状態は反平行になり、データ“0”が書き込まれる。   When a write voltage (positive bias voltage) Vw “0” is applied to such a magnetoresistive effect element, the magnetization state of the first unit U1 becomes parallel, the magnetization state of the second unit U2 becomes antiparallel, and the data “0”. "Is written.

また、磁気抵抗効果素子に書き込み電圧(負のバイアス電圧)Vw“1”を与えると、第1ユニットU1の磁化状態は反平行、第2ユニットU2の磁化状態は平行になり、データ“1”が書き込まれる。   When a write voltage (negative bias voltage) Vw “1” is applied to the magnetoresistive effect element, the magnetization state of the first unit U1 becomes antiparallel, the magnetization state of the second unit U2 becomes parallel, and data “1”. Is written.

読み出し電圧Vrをバイアスしたときには、第1ユニットU1は、ノーマル状態、第2ユニットU2は、インバース状態になるため、データ“0”は低抵抗状態、データ“1”は高抵抗状態になる。   When the read voltage Vr is biased, the first unit U1 is in the normal state and the second unit U2 is in the inverse state, so that the data “0” is in the low resistance state and the data “1” is in the high resistance state.

(6) 第6実施例
図22は、第6実施例を示している。
(6) Sixth embodiment
FIG. 22 shows a sixth embodiment.

第6実施例は、第5実施例の変形例である。
第6実施例が第5実施例と異なる点は、フリー層12がSAF構造を有している点にある。
The sixth embodiment is a modification of the fifth embodiment.
The sixth embodiment is different from the fifth embodiment in that the free layer 12 has a SAF structure.

フリー層12は、強磁性層/非磁性層/強磁性層/非磁性層/強磁性層の5層構造を有し、非磁性層の両側に存在する2つの強磁性層は、互いに反強磁性結合している。   The free layer 12 has a five-layer structure of ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer, and the two ferromagnetic layers existing on both sides of the nonmagnetic layer are antiferromagnetic to each other. Magnetically coupled.

フリー層12をSAF構造にすると、熱的に磁化状態が安定し、外部磁界に対するゆらぎが発生し難くなる。具体的には、強磁性層の端部の磁化が単磁区構造に近くなるため、静磁結合により外部からの見かけ上の飽和磁化を零にすることができる。   When the free layer 12 has the SAF structure, the magnetization state is thermally stabilized, and fluctuations with respect to the external magnetic field are less likely to occur. Specifically, since the magnetization at the end of the ferromagnetic layer is close to a single domain structure, the apparent saturation magnetization from the outside can be made zero by magnetostatic coupling.

第1ユニットU1の磁化状態については、フリー層12の最下層の強磁性層の磁化方向が、ピンド層11Aの最上層の強磁性層の磁化方向に対してどのようになっているか、により決定される。つまり、スペーサ層13Aに隣接する2つの強磁性層の磁化方向により第1ユニットU1の磁化状態が決まる。   The magnetization state of the first unit U1 is determined by the magnetization direction of the lowermost ferromagnetic layer of the free layer 12 with respect to the magnetization direction of the uppermost ferromagnetic layer of the pinned layer 11A. Is done. That is, the magnetization state of the first unit U1 is determined by the magnetization directions of the two ferromagnetic layers adjacent to the spacer layer 13A.

第2ユニットU2の磁化状態については、フリー層12の最上層の強磁性層の磁化方向が、ピンド層11Bの最下層の強磁性層の磁化方向に対してどのようになっているか、により決定される。つまり、スペーサ層13Bに隣接する2つの強磁性層の磁化方向により第2ユニットU2の磁化状態が決まる。   The magnetization state of the second unit U2 is determined by the magnetization direction of the uppermost ferromagnetic layer of the free layer 12 with respect to the magnetization direction of the lowermost ferromagnetic layer of the pinned layer 11B. Is done. That is, the magnetization state of the second unit U2 is determined by the magnetization directions of the two ferromagnetic layers adjacent to the spacer layer 13B.

第1ユニットU1のMR比のバイアス依存性は、低バイアス状態においてノーマルTMR特性を示し、高バイアス状態においてインバースTMR特性を示す。   The bias dependence of the MR ratio of the first unit U1 exhibits normal TMR characteristics in the low bias state and inverse TMR characteristics in the high bias state.

第1ユニットU1では、特性が切り替わるポイントは、書き込み電圧Vw“0”,Vw“1”よりも十分に高い領域にある。   In the first unit U1, the point at which the characteristics are switched is in a region sufficiently higher than the write voltages Vw “0” and Vw “1”.

第2ユニットU2のMR比のバイアス依存性は、低バイアス状態においてインバースTMR特性を示し、高バイアス状態においてノーマルTMR特性を示す。   The bias dependence of the MR ratio of the second unit U2 exhibits inverse TMR characteristics in the low bias state and normal TMR characteristics in the high bias state.

特性が切り替わる正バイアス側のポイントVc1は、書き込み電圧Vw“0”と読み出し電圧Vrとの間にある。また、特性が切り替わる負バイアス側のポイントVc2は、書き込み電圧Vw“1”よりも低い領域にある。   The point Vc1 on the positive bias side where the characteristic is switched is between the write voltage Vw “0” and the read voltage Vr. Further, the point Vc2 on the negative bias side where the characteristic is switched is in a region lower than the write voltage Vw “1”.

このような磁気抵抗効果素子に書き込み電圧(正のバイアス電圧)Vw“0”を与えると、第1ユニットU1の磁化状態は平行、第2ユニットU2の磁化状態は反平行になり、データ“0”が書き込まれる。   When a write voltage (positive bias voltage) Vw “0” is applied to such a magnetoresistive effect element, the magnetization state of the first unit U1 becomes parallel, the magnetization state of the second unit U2 becomes antiparallel, and the data “0”. "Is written.

また、磁気抵抗効果素子に書き込み電圧(負のバイアス電圧)Vw“1”を与えると、第1ユニットU1の磁化状態は反平行、第2ユニットU2の磁化状態は平行になり、データ“1”が書き込まれる。   When a write voltage (negative bias voltage) Vw “1” is applied to the magnetoresistive effect element, the magnetization state of the first unit U1 becomes antiparallel, the magnetization state of the second unit U2 becomes parallel, and data “1”. Is written.

読み出し電圧Vrをバイアスしたときには、第1ユニットU1は、ノーマル状態、第2ユニットU2は、インバース状態になるため、データ“0”は低抵抗状態、データ“1”は高抵抗状態になる。   When the read voltage Vr is biased, the first unit U1 is in a normal state and the second unit U2 is in an inverse state, so that data “0” is in a low resistance state and data “1” is in a high resistance state.

(7) 第7実施例
図23は、第7実施例を示している。
(7) Seventh embodiment
FIG. 23 shows a seventh embodiment.

第7実施例では、2つのピンド層11A,11Bの磁化方向を互いに同じ向きに設定する。ピンド層11A,11Bの磁化方向は、反強磁性層14により固着する。また、ピンド層11A,11B及びフリー層12の残留磁化の磁化方向(磁化容易軸方向)は、これらがスタックされる方向に対して垂直な方向(面内磁化)とする。   In the seventh embodiment, the magnetization directions of the two pinned layers 11A and 11B are set to the same direction. The magnetization directions of the pinned layers 11A and 11B are fixed by the antiferromagnetic layer 14. In addition, the magnetization direction (easy magnetization axis direction) of the residual magnetization of the pinned layers 11A and 11B and the free layer 12 is a direction perpendicular to the direction in which they are stacked (in-plane magnetization).

ピンド層11A,11Bは、それぞれ、強磁性層/非磁性層/強磁性層の3層構造を有し、2つの強磁性層は、非磁性層を介して互いに磁気結合している。本例では、ピンド層11A,11Bは、2つの強磁性層の磁化方向が互いに逆向きになるSAF結合を有する。   Each of the pinned layers 11A and 11B has a three-layer structure of ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer, and the two ferromagnetic layers are magnetically coupled to each other via the nonmagnetic layer. In this example, the pinned layers 11A and 11B have SAF coupling in which the magnetization directions of the two ferromagnetic layers are opposite to each other.

フリー層12は、強磁性層/非磁性層/強磁性層の3層構造を有し、2つの強磁性層は、非磁性層を介して互いに磁気結合している。本例では、フリー層12は、2つの強磁性層の磁化方向が互いに逆向きになるSAF結合を有する。   The free layer 12 has a three-layer structure of ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer, and the two ferromagnetic layers are magnetically coupled to each other via the nonmagnetic layer. In this example, the free layer 12 has SAF coupling in which the magnetization directions of the two ferromagnetic layers are opposite to each other.

ピンド層11A,11B及びフリー層12を強磁性層/非磁性層/強磁性層構造にすると、熱的に磁化状態が安定し、外部磁界に対するゆらぎが発生し難くなる。   If the pinned layers 11A and 11B and the free layer 12 have a ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer structure, the magnetization state is thermally stabilized, and fluctuations with respect to an external magnetic field are less likely to occur.

第1ユニットU1の磁化状態については、フリー層12の最下層の強磁性層の磁化方向が、ピンド層11Aの最上層の強磁性層の磁化方向に対してどのようになっているか、により決定される。   The magnetization state of the first unit U1 is determined by the magnetization direction of the lowermost ferromagnetic layer of the free layer 12 with respect to the magnetization direction of the uppermost ferromagnetic layer of the pinned layer 11A. Is done.

第2ユニットU2の磁化状態については、フリー層12の最上層の強磁性層の磁化方向が、ピンド層11Bの最下層の強磁性層の磁化方向に対してどのようになっているか、により決定される。   The magnetization state of the second unit U2 is determined by the magnetization direction of the uppermost ferromagnetic layer of the free layer 12 with respect to the magnetization direction of the lowermost ferromagnetic layer of the pinned layer 11B. Is done.

ピンド層11A,11B内及びフリー層12内の強磁性層は、fcc-Co, hcp-Co, bcc-Fe, fcc-CoFe合金, bcc-CoFe合金, アモルファスCoFeB合金などの強磁性材料から構成する。ピンド層11A,11B内及びフリー層12内の非磁性層は、Ru, Ir, Osなどの導電体から構成する。反強磁性層は、PtMn, IrMn, NiMn, FeMn, PtCrMn, RhMn, FeRhなどの反強磁性材料から構成する。   The ferromagnetic layers in the pinned layers 11A and 11B and the free layer 12 are made of a ferromagnetic material such as fcc-Co, hcp-Co, bcc-Fe, fcc-CoFe alloy, bcc-CoFe alloy, and amorphous CoFeB alloy. . The nonmagnetic layers in the pinned layers 11A and 11B and the free layer 12 are made of a conductor such as Ru, Ir, or Os. The antiferromagnetic layer is made of an antiferromagnetic material such as PtMn, IrMn, NiMn, FeMn, PtCrMn, RhMn, or FeRh.

また、スペーサ層(非磁性層)13A,13Bは、トンネルバリア層とし、例えば、MgO, AlOxなどの絶縁体又はGa, Geなどの半導体から構成する。この場合、第1及び第2ユニット(TMRユニット)U1,U2は、共に、バイアス依存性を有する。   The spacer layers (nonmagnetic layers) 13A and 13B are tunnel barrier layers, and are made of, for example, an insulator such as MgO or AlOx or a semiconductor such as Ga or Ge. In this case, both the first and second units (TMR units) U1 and U2 have bias dependency.

第1ユニットU1のMR比のバイアス依存性は、低バイアス状態においてノーマルTMR特性を示し、高バイアス状態においてインバースTMR特性を示す。   The bias dependence of the MR ratio of the first unit U1 exhibits normal TMR characteristics in the low bias state and inverse TMR characteristics in the high bias state.

第1ユニットU1では、特性が切り替わるポイントは、書き込み電圧Vw“0”,Vw“1”よりも十分に高い領域にある。   In the first unit U1, the point at which the characteristics are switched is in a region sufficiently higher than the write voltages Vw “0” and Vw “1”.

第2ユニットU2のMR比のバイアス依存性は、低バイアス状態においてインバースTMR特性を示し、高バイアス状態においてノーマルTMR特性を示す。   The bias dependence of the MR ratio of the second unit U2 exhibits inverse TMR characteristics in the low bias state and normal TMR characteristics in the high bias state.

特性が切り替わる正バイアス側のポイントVc1は、書き込み電圧Vw“0”と読み出し電圧Vrとの間にある。また、特性が切り替わる負バイアス側のポイントVc2は、書き込み電圧Vw“1”よりも低い領域にある。   The point Vc1 on the positive bias side where the characteristic is switched is between the write voltage Vw “0” and the read voltage Vr. Further, the point Vc2 on the negative bias side where the characteristic is switched is in a region lower than the write voltage Vw “1”.

このような磁気抵抗効果素子に書き込み電圧(正のバイアス電圧)Vw“0”を与えると、第1ユニットU1の磁化状態は平行、第2ユニットU2の磁化状態は反平行になり、データ“0”が書き込まれる。   When a write voltage (positive bias voltage) Vw “0” is applied to such a magnetoresistive effect element, the magnetization state of the first unit U1 becomes parallel, the magnetization state of the second unit U2 becomes antiparallel, and the data “0”. "Is written.

また、磁気抵抗効果素子に書き込み電圧(負のバイアス電圧)Vw“1”を与えると、第1ユニットU1の磁化状態は反平行、第2ユニットU2の磁化状態は平行になり、データ“1”が書き込まれる。   When a write voltage (negative bias voltage) Vw “1” is applied to the magnetoresistive effect element, the magnetization state of the first unit U1 becomes antiparallel, the magnetization state of the second unit U2 becomes parallel, and data “1”. Is written.

読み出し電圧Vrをバイアスしたときには、第1ユニットU1は、ノーマル状態、第2ユニットU2は、インバース状態になるため、データ“0”は低抵抗状態、データ“1”は高抵抗状態になる。   When the read voltage Vr is biased, the first unit U1 is in a normal state and the second unit U2 is in an inverse state, so that data “0” is in a low resistance state and data “1” is in a high resistance state.

(8) 第8実施例
図24は、第8実施例を示している。
(8) Eighth Example
FIG. 24 shows an eighth embodiment.

第8実施例では、2つのピンド層11A,11Bの磁化方向を互いに逆向きに設定する。ピンド層11A,11Bの磁化方向は、反強磁性層14により固着する。また、ピンド層11A,11B及びフリー層12の残留磁化の磁化方向(磁化容易軸方向)は、これらがスタックされる方向に対して垂直な方向(面内磁化)とする。   In the eighth embodiment, the magnetization directions of the two pinned layers 11A and 11B are set to be opposite to each other. The magnetization directions of the pinned layers 11A and 11B are fixed by the antiferromagnetic layer 14. In addition, the magnetization direction (easy magnetization axis direction) of the residual magnetization of the pinned layers 11A and 11B and the free layer 12 is a direction perpendicular to the direction in which they are stacked (in-plane magnetization).

ピンド層11Aは、強磁性層/非磁性層/強磁性層の3層構造を有し、2つの強磁性層は、非磁性層を介して互いに磁気結合している。本例では、ピンド層11Aは、2つの強磁性層の磁化方向が互いに逆向きになるSAF結合を有する。   The pinned layer 11A has a three-layer structure of ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer, and the two ferromagnetic layers are magnetically coupled to each other via the nonmagnetic layer. In this example, the pinned layer 11A has SAF coupling in which the magnetization directions of the two ferromagnetic layers are opposite to each other.

ピンド層11Bは、強磁性層/非磁性層/強磁性層/非磁性層/強磁性層の5層構造を有し、非磁性層の両側に存在する2つの強磁性層は、互いに磁気結合している。本例では、ピンド層11Bは、2つの強磁性層の磁化方向が互いに逆向きになるSAF結合を有する。   The pinned layer 11B has a five-layer structure of ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer, and the two ferromagnetic layers present on both sides of the nonmagnetic layer are magnetically coupled to each other. is doing. In this example, the pinned layer 11B has SAF coupling in which the magnetization directions of the two ferromagnetic layers are opposite to each other.

フリー層12は、強磁性層/非磁性層/強磁性層の3層構造を有し、2つの強磁性層は、非磁性層を介して互いに磁気結合している。本例では、フリー層12は、2つの強磁性層の磁化方向が互いに逆向きになるSAF結合を有する。   The free layer 12 has a three-layer structure of ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer, and the two ferromagnetic layers are magnetically coupled to each other via the nonmagnetic layer. In this example, the free layer 12 has SAF coupling in which the magnetization directions of the two ferromagnetic layers are opposite to each other.

ピンド層11A,11B及びフリー層12を強磁性層/非磁性層/強磁性層構造にすると、熱的に磁化状態が安定し、外部磁界に対するゆらぎが発生し難くなる。   If the pinned layers 11A and 11B and the free layer 12 have a ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer structure, the magnetization state is thermally stabilized, and fluctuations with respect to an external magnetic field are less likely to occur.

第1ユニットU1の磁化状態については、フリー層12の最下層の強磁性層の磁化方向が、ピンド層11Aの最上層の強磁性層の磁化方向に対してどのようになっているか、により決定される。   The magnetization state of the first unit U1 is determined by the magnetization direction of the lowermost ferromagnetic layer of the free layer 12 with respect to the magnetization direction of the uppermost ferromagnetic layer of the pinned layer 11A. Is done.

第2ユニットU2の磁化状態については、フリー層12の最上層の強磁性層の磁化方向が、ピンド層11Bの最下層の強磁性層の磁化方向に対してどのようになっているか、により決定される。   The magnetization state of the second unit U2 is determined by the magnetization direction of the uppermost ferromagnetic layer of the free layer 12 with respect to the magnetization direction of the lowermost ferromagnetic layer of the pinned layer 11B. Is done.

ピンド層11A,11B内及びフリー層12内の強磁性層は、fcc-Co, hcp-Co, bcc-Fe, fcc-CoFe合金, bcc-CoFe合金, アモルファスCoFeB合金などの強磁性材料から構成する。ピンド層11A,11B内及びフリー層12内の非磁性層は、Ru, Ir, Osなどの導電体から構成する。反強磁性層は、PtMn, IrMn, NiMn, FeMn, PtCrMn, RhMn, FeRhなどの反強磁性材料から構成する。   The ferromagnetic layers in the pinned layers 11A and 11B and the free layer 12 are made of a ferromagnetic material such as fcc-Co, hcp-Co, bcc-Fe, fcc-CoFe alloy, bcc-CoFe alloy, and amorphous CoFeB alloy. . The nonmagnetic layers in the pinned layers 11A and 11B and the free layer 12 are made of a conductor such as Ru, Ir, or Os. The antiferromagnetic layer is made of an antiferromagnetic material such as PtMn, IrMn, NiMn, FeMn, PtCrMn, RhMn, or FeRh.

また、スペーサ層(非磁性層)13A,13Bは、トンネルバリア層とし、例えば、MgO, AlOxなどの絶縁体又はGa, Geなどの半導体から構成する。この場合、第1及び第2ユニット(TMRユニット)U1,U2は、共に、バイアス依存性を有する。   The spacer layers (nonmagnetic layers) 13A and 13B are tunnel barrier layers, and are made of, for example, an insulator such as MgO or AlOx or a semiconductor such as Ga or Ge. In this case, both the first and second units (TMR units) U1 and U2 have bias dependency.

第1及び第2ユニットU1,U2のMR比のバイアス依存性は、それぞれ、低バイアス状態においてノーマルTMR特性を示し、高バイアス状態においてインバースTMR特性を示す。   The bias dependence of the MR ratio of the first and second units U1 and U2 shows normal TMR characteristics in the low bias state and inverse TMR characteristics in the high bias state, respectively.

但し、第1ユニットU1では、特性が切り替わるポイントは、書き込み電圧Vw“0”,Vw“1”よりも十分に高い領域にある。   However, in the first unit U1, the point at which the characteristics are switched is in a region sufficiently higher than the write voltages Vw “0” and Vw “1”.

これに対し、第2ユニットU2では、特性が切り替わる正バイアス側のポイントVc1は、書き込み電圧Vw“0”と読み出し電圧Vrとの間にある。また、特性が切り替わる負バイアス側のポイントVc2は、書き込み電圧Vw“1”よりも低い領域にある。   On the other hand, in the second unit U2, the point Vc1 on the positive bias side where the characteristic is switched is between the write voltage Vw “0” and the read voltage Vr. Further, the point Vc2 on the negative bias side where the characteristic is switched is in a region lower than the write voltage Vw “1”.

このような磁気抵抗効果素子に書き込み電圧(正のバイアス電圧)Vw“0”を与えると、第1及び第2ユニットU1,U2の磁化状態は,共に、平行になり、データ“0”が書き込まれる。   When a write voltage (positive bias voltage) Vw “0” is applied to such a magnetoresistive element, the magnetization states of the first and second units U1 and U2 are both parallel and data “0” is written. It is.

また、磁気抵抗効果素子に書き込み電圧(負のバイアス電圧)Vw“1”を与えると、第1及び第2ユニットU1,U2の磁化状態は、共に、反平行になり、データ“1”が書き込まれる。   When a write voltage (negative bias voltage) Vw “1” is applied to the magnetoresistive effect element, the magnetization states of the first and second units U1 and U2 are both antiparallel, and data “1” is written. It is.

読み出し電圧Vrをバイアスしたときには、第1及び第2ユニットU1,U2は、共に、ノーマル状態になるため、データ“0”は低抵抗状態、データ“1”は高抵抗状態になる。   When the read voltage Vr is biased, the first and second units U1, U2 are both in the normal state, so that the data “0” is in the low resistance state and the data “1” is in the high resistance state.

(9) 第9実施例
図25は、第9実施例を示している。
(9) Ninth embodiment
FIG. 25 shows a ninth embodiment.

第9実施例では、2つのピンド層11A,11Bの磁化方向を互いに同じ向きに設定する。ピンド層11A,11Bの磁化方向は、反強磁性層14により固着する。また、ピンド層11A,11B及びフリー層12の残留磁化の磁化方向(磁化容易軸方向)は、これらがスタックされる方向に対して垂直な方向(面内磁化)とする。   In the ninth embodiment, the magnetization directions of the two pinned layers 11A and 11B are set to the same direction. The magnetization directions of the pinned layers 11A and 11B are fixed by the antiferromagnetic layer 14. Further, the magnetization direction (easy magnetization axis direction) of the residual magnetization of the pinned layers 11A and 11B and the free layer 12 is a direction perpendicular to the stacking direction (in-plane magnetization).

ピンド層11A,11Bは、それぞれ、強磁性層/非磁性層/強磁性層の3層構造を有し、2つの強磁性層は、非磁性層を介して互いに磁気結合している。本例では、ピンド層11A,11Bは、2つの強磁性層の磁化方向が互いに逆向きになるSAF結合を有する。   Each of the pinned layers 11A and 11B has a three-layer structure of ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer, and the two ferromagnetic layers are magnetically coupled to each other via the nonmagnetic layer. In this example, the pinned layers 11A and 11B have SAF coupling in which the magnetization directions of the two ferromagnetic layers are opposite to each other.

フリー層12は、強磁性層/非磁性層/強磁性層/非磁性層/強磁性層の5層構造を有し、非磁性層の両側に存在する2つの強磁性層は、互いに磁気結合している。本例では、フリー層12は、2つの強磁性層の磁化方向が互いに逆向きになるSAF結合を有する。   The free layer 12 has a five-layer structure of ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer, and two ferromagnetic layers existing on both sides of the nonmagnetic layer are magnetically coupled to each other. is doing. In this example, the free layer 12 has SAF coupling in which the magnetization directions of the two ferromagnetic layers are opposite to each other.

ピンド層11A,11B及びフリー層12を強磁性層/非磁性層/強磁性層構造にすると、熱的に磁化状態が安定し、外部磁界に対するゆらぎが発生し難くなる。   If the pinned layers 11A and 11B and the free layer 12 have a ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer structure, the magnetization state is thermally stabilized, and fluctuations with respect to an external magnetic field are less likely to occur.

第1ユニットU1の磁化状態については、フリー層12の最下層の強磁性層の磁化方向が、ピンド層11Aの最上層の強磁性層の磁化方向に対してどのようになっているか、により決定される。   The magnetization state of the first unit U1 is determined by the magnetization direction of the lowermost ferromagnetic layer of the free layer 12 with respect to the magnetization direction of the uppermost ferromagnetic layer of the pinned layer 11A. Is done.

第2ユニットU2の磁化状態については、フリー層12の最上層の強磁性層の磁化方向が、ピンド層11Bの最下層の強磁性層の磁化方向に対してどのようになっているか、により決定される。   The magnetization state of the second unit U2 is determined by the magnetization direction of the uppermost ferromagnetic layer of the free layer 12 with respect to the magnetization direction of the lowermost ferromagnetic layer of the pinned layer 11B. Is done.

ピンド層11A,11B内及びフリー層12内の強磁性層は、fcc-Co, hcp-Co, bcc-Fe, fcc-CoFe合金, bcc-CoFe合金, アモルファスCoFeB合金などの強磁性材料から構成する。ピンド層11A,11B内及びフリー層12内の非磁性層は、Ru, Ir, Osなどの導電体から構成する。反強磁性層は、PtMn, IrMn, NiMn, FeMn, PtCrMn, RhMn, FeRhなどの反強磁性材料から構成する。   The ferromagnetic layers in the pinned layers 11A and 11B and the free layer 12 are made of a ferromagnetic material such as fcc-Co, hcp-Co, bcc-Fe, fcc-CoFe alloy, bcc-CoFe alloy, and amorphous CoFeB alloy. . The nonmagnetic layers in the pinned layers 11A and 11B and the free layer 12 are made of a conductor such as Ru, Ir, or Os. The antiferromagnetic layer is made of an antiferromagnetic material such as PtMn, IrMn, NiMn, FeMn, PtCrMn, RhMn, or FeRh.

また、スペーサ層(非磁性層)13A,13Bは、トンネルバリア層とし、例えば、MgO, AlOxなどの絶縁体又はGa, Geなどの半導体から構成する。この場合、第1及び第2ユニット(TMRユニット)U1,U2は、共に、バイアス依存性を有する。   The spacer layers (nonmagnetic layers) 13A and 13B are tunnel barrier layers, and are made of, for example, an insulator such as MgO or AlOx or a semiconductor such as Ga or Ge. In this case, both the first and second units (TMR units) U1 and U2 have bias dependency.

第1及び第2ユニットU1,U2のMR比のバイアス依存性は、それぞれ、低バイアス状態においてノーマルTMR特性を示し、高バイアス状態においてインバースTMR特性を示す。   The bias dependence of the MR ratio of the first and second units U1 and U2 shows normal TMR characteristics in the low bias state and inverse TMR characteristics in the high bias state, respectively.

但し、第1ユニットU1では、特性が切り替わるポイントは、書き込み電圧Vw“0”,Vw“1”よりも十分に高い領域にある。   However, in the first unit U1, the point at which the characteristics are switched is in a region sufficiently higher than the write voltages Vw “0” and Vw “1”.

これに対し、第2ユニットU2では、特性が切り替わる正バイアス側のポイントVc1は、書き込み電圧Vw“0”と読み出し電圧Vrとの間にある。また、特性が切り替わる負バイアス側のポイントVc2は、書き込み電圧Vw“1”よりも低い領域にある。   On the other hand, in the second unit U2, the point Vc1 on the positive bias side where the characteristic is switched is between the write voltage Vw “0” and the read voltage Vr. Further, the point Vc2 on the negative bias side where the characteristic is switched is in a region lower than the write voltage Vw “1”.

このような磁気抵抗効果素子に書き込み電圧(正のバイアス電圧)Vw“0”を与えると、第1及び第2ユニットU1,U2の磁化状態は,共に、平行になり、データ“0”が書き込まれる。   When a write voltage (positive bias voltage) Vw “0” is applied to such a magnetoresistive element, the magnetization states of the first and second units U1 and U2 are both parallel and data “0” is written. It is.

また、磁気抵抗効果素子に書き込み電圧(負のバイアス電圧)Vw“1”を与えると、第1及び第2ユニットU1,U2の磁化状態は、共に、反平行になり、データ“1”が書き込まれる。   When a write voltage (negative bias voltage) Vw “1” is applied to the magnetoresistive effect element, the magnetization states of the first and second units U1 and U2 are both antiparallel, and data “1” is written. It is.

読み出し電圧Vrをバイアスしたときには、第1及び第2ユニットU1,U2は、共に、ノーマル状態になるため、データ“0”は低抵抗状態、データ“1”は高抵抗状態になる。   When the read voltage Vr is biased, the first and second units U1, U2 are both in the normal state, so that the data “0” is in the low resistance state and the data “1” is in the high resistance state.

(10) 第10実施例
図26は、第10実施例を示している。
(10) Tenth embodiment
FIG. 26 shows a tenth embodiment.

第10実施例は、第6実施例の変形例である。
第10実施例が第6実施例と異なる点は、第2ユニットU2のスペーサ層13Bが、トンネルバリア層(絶縁体又は半導体)ではなく、メタルスペーサ層(導電体)から構成される点にある。
The tenth embodiment is a modification of the sixth embodiment.
The tenth embodiment is different from the sixth embodiment in that the spacer layer 13B of the second unit U2 is not a tunnel barrier layer (insulator or semiconductor) but a metal spacer layer (conductor). .

この場合、第2ユニットU2は、GMRユニットとして機能し、そのMR比については、バイアス依存性を有しない。本例では、第2ユニットU2のMR比は、バイアス電圧によらず、一定値を有し、常にノーマル状態にある。   In this case, the second unit U2 functions as a GMR unit, and the MR ratio has no bias dependency. In this example, the MR ratio of the second unit U2 has a constant value regardless of the bias voltage, and is always in the normal state.

これに対し、第1ユニットU1は、TMRユニットとして機能し、低バイアス状態においてインバースTMR特性を示し、高バイアス状態においてノーマルTMR特性を示す。   On the other hand, the first unit U1 functions as a TMR unit and exhibits inverse TMR characteristics in a low bias state and normal TMR characteristics in a high bias state.

第1ユニットU1では、特性が切り替わる正バイアス側のポイントVc1は、書き込み電圧Vw“1”と読み出し電圧Vrとの間にある。また、特性が切り替わる負バイアス側のポイントVc2は、書き込み電圧Vw“0”よりも低い領域にある。   In the first unit U1, the point Vc1 on the positive bias side where the characteristic is switched is between the write voltage Vw “1” and the read voltage Vr. Further, the negative bias side point Vc2 at which the characteristic is switched is in a region lower than the write voltage Vw “0”.

このような磁気抵抗効果素子に書き込み電圧(正のバイアス電圧)Vw“1”を与えると、第1ユニットU1の磁化状態は平行、第2ユニットU2の磁化状態は反平行になり、データ“1”が書き込まれる。   When a write voltage (positive bias voltage) Vw “1” is applied to such a magnetoresistive effect element, the magnetization state of the first unit U1 becomes parallel, the magnetization state of the second unit U2 becomes antiparallel, and data “1” "Is written.

また、磁気抵抗効果素子に書き込み電圧(負のバイアス電圧)Vw“0”を与えると、第1ユニットU1の磁化状態は反平行、第2ユニットU2の磁化状態は平行になり、データ“0”が書き込まれる。   Further, when a write voltage (negative bias voltage) Vw “0” is applied to the magnetoresistive effect element, the magnetization state of the first unit U1 becomes antiparallel, the magnetization state of the second unit U2 becomes parallel, and data “0”. Is written.

読み出し電圧Vrをバイアスしたときには、第1ユニットU1は、インバース状態、第2ユニットU2は、ノーマル状態になるため、データ“0”は低抵抗状態、データ“1”は高抵抗状態になる。   When the read voltage Vr is biased, the first unit U1 is in an inverse state and the second unit U2 is in a normal state, so that data “0” is in a low resistance state and data “1” is in a high resistance state.

(11) 第11実施例
図27は、第11実施例を示している。
(11) Eleventh embodiment
FIG. 27 shows an eleventh embodiment.

第11実施例は、第7実施例の変形例である。
第11実施例が第7実施例と異なる点は、第2ユニットU2のスペーサ層13Bが、トンネルバリア層(絶縁体又は半導体)ではなく、メタルスペーサ層(導電体)から構成される点にある。
The eleventh embodiment is a modification of the seventh embodiment.
The difference between the eleventh embodiment and the seventh embodiment is that the spacer layer 13B of the second unit U2 is not a tunnel barrier layer (insulator or semiconductor) but a metal spacer layer (conductor). .

この場合、第2ユニットU2は、GMRユニットとして機能し、そのMR比については、バイアス依存性を有しない。本例では、第2ユニットU2のMR比は、バイアス電圧によらず、一定値を有し、常にノーマル状態にある。   In this case, the second unit U2 functions as a GMR unit, and the MR ratio has no bias dependency. In this example, the MR ratio of the second unit U2 has a constant value regardless of the bias voltage, and is always in the normal state.

これに対し、第1ユニットU1は、TMRユニットとして機能し、低バイアス状態においてインバースTMR特性を示し、高バイアス状態においてノーマルTMR特性を示す。   On the other hand, the first unit U1 functions as a TMR unit and exhibits inverse TMR characteristics in a low bias state and normal TMR characteristics in a high bias state.

第1ユニットU1では、特性が切り替わる正バイアス側のポイントVc1は、書き込み電圧Vw“1”と読み出し電圧Vrとの間にある。また、特性が切り替わる負バイアス側のポイントVc2は、書き込み電圧Vw“0”よりも低い領域にある。   In the first unit U1, the point Vc1 on the positive bias side where the characteristic is switched is between the write voltage Vw “1” and the read voltage Vr. Further, the negative bias side point Vc2 at which the characteristic is switched is in a region lower than the write voltage Vw “0”.

このような磁気抵抗効果素子に書き込み電圧(正のバイアス電圧)Vw“1”を与えると、第1ユニットU1の磁化状態は平行、第2ユニットU2の磁化状態は反平行になり、データ“1”が書き込まれる。   When a write voltage (positive bias voltage) Vw “1” is applied to such a magnetoresistive effect element, the magnetization state of the first unit U1 becomes parallel, the magnetization state of the second unit U2 becomes antiparallel, and data “1” "Is written.

また、磁気抵抗効果素子に書き込み電圧(負のバイアス電圧)Vw“0”を与えると、第1ユニットU1の磁化状態は反平行、第2ユニットU2の磁化状態は平行になり、データ“0”が書き込まれる。   Further, when a write voltage (negative bias voltage) Vw “0” is applied to the magnetoresistive effect element, the magnetization state of the first unit U1 becomes antiparallel, the magnetization state of the second unit U2 becomes parallel, and data “0”. Is written.

読み出し電圧Vrをバイアスしたときには、第1ユニットU1は、インバース状態、第2ユニットU2は、ノーマル状態になるため、データ“0”は低抵抗状態、データ“1”は高抵抗状態になる。   When the read voltage Vr is biased, the first unit U1 is in an inverse state and the second unit U2 is in a normal state, so that data “0” is in a low resistance state and data “1” is in a high resistance state.

(12) 第12実施例
図28は、第12実施例を示している。
(12) 12th embodiment
FIG. 28 shows a twelfth embodiment.

第12実施例は、第8実施例の変形例である。
第12実施例が第8実施例と異なる点は、第2ユニットU2のスペーサ層13Bが、トンネルバリア層(絶縁体又は半導体)ではなく、メタルスペーサ層(導電体)から構成される点にある。
The twelfth embodiment is a modification of the eighth embodiment.
The twelfth embodiment is different from the eighth embodiment in that the spacer layer 13B of the second unit U2 is not a tunnel barrier layer (insulator or semiconductor) but a metal spacer layer (conductor). .

この場合、第2ユニットU2は、GMRユニットとして機能し、そのMR比については、バイアス依存性を有しない。本例では、第2ユニットU2のMR比は、バイアス電圧によらず、一定値を有し、常にノーマル状態にある。   In this case, the second unit U2 functions as a GMR unit, and the MR ratio has no bias dependency. In this example, the MR ratio of the second unit U2 has a constant value regardless of the bias voltage, and is always in the normal state.

これに対し、第1ユニットU1は、TMRユニットとして機能し、低バイアス状態においてノーマルTMR特性を示し、高バイアス状態においてインバースTMR特性を示す。   On the other hand, the first unit U1 functions as a TMR unit and exhibits normal TMR characteristics in a low bias state and inverse TMR characteristics in a high bias state.

第1ユニットU1では、特性が切り替わる正バイアス側のポイントVc1は、書き込み電圧Vw“1”と読み出し電圧Vrとの間にある。また、特性が切り替わる負バイアス側のポイントVc2は、書き込み電圧Vw“0”よりも低い領域にある。   In the first unit U1, the point Vc1 on the positive bias side where the characteristic is switched is between the write voltage Vw “1” and the read voltage Vr. Further, the negative bias side point Vc2 at which the characteristic is switched is in a region lower than the write voltage Vw “0”.

このような磁気抵抗効果素子に書き込み電圧(正のバイアス電圧)Vw“1”を与えると、第1及び第2ユニットU1,U2の磁化状態は、それぞれ、反平行になり、データ“1”が書き込まれる。   When a write voltage (positive bias voltage) Vw “1” is applied to such a magnetoresistive element, the magnetization states of the first and second units U1 and U2 are antiparallel, and data “1” is stored. Written.

また、磁気抵抗効果素子に書き込み電圧(負のバイアス電圧)Vw“0”を与えると、第1及び第2ユニットU1,U2の磁化状態は、それぞれ、平行になり、データ“0”が書き込まれる。   When a write voltage (negative bias voltage) Vw “0” is applied to the magnetoresistive effect element, the magnetization states of the first and second units U1 and U2 become parallel and data “0” is written. .

読み出し電圧Vrをバイアスしたときには、第1及び第2ユニットU1,U2は、共に、ノーマル状態になるため、データ“0”は低抵抗状態、データ“1”は高抵抗状態になる。   When the read voltage Vr is biased, the first and second units U1, U2 are both in the normal state, so that the data “0” is in the low resistance state and the data “1” is in the high resistance state.

(13) 第13実施例
図29は、第13実施例を示している。
(13) Thirteenth embodiment
FIG. 29 shows a thirteenth embodiment.

第13実施例は、第9実施例の変形例である。
第13実施例が第9実施例と異なる点は、第2ユニットU2のスペーサ層13Bが、トンネルバリア層(絶縁体又は半導体)ではなく、メタルスペーサ層(導電体)から構成される点にある。
The thirteenth embodiment is a modification of the ninth embodiment.
The thirteenth embodiment is different from the ninth embodiment in that the spacer layer 13B of the second unit U2 is not a tunnel barrier layer (insulator or semiconductor) but a metal spacer layer (conductor). .

この場合、第2ユニットU2は、GMRユニットとして機能し、そのMR比については、バイアス依存性を有しない。本例では、第2ユニットU2のMR比は、バイアス電圧によらず、一定値を有し、常にノーマル状態にある。   In this case, the second unit U2 functions as a GMR unit, and the MR ratio has no bias dependency. In this example, the MR ratio of the second unit U2 has a constant value regardless of the bias voltage, and is always in the normal state.

これに対し、第1ユニットU1は、TMRユニットとして機能し、低バイアス状態においてノーマルTMR特性を示し、高バイアス状態においてインバースTMR特性を示す。   On the other hand, the first unit U1 functions as a TMR unit and exhibits normal TMR characteristics in a low bias state and inverse TMR characteristics in a high bias state.

第1ユニットU1では、特性が切り替わる正バイアス側のポイントVc1は、書き込み電圧Vw“1”と読み出し電圧Vrとの間にある。また、特性が切り替わる負バイアス側のポイントVc2は、書き込み電圧Vw“0”よりも低い領域にある。   In the first unit U1, the point Vc1 on the positive bias side where the characteristic is switched is between the write voltage Vw “1” and the read voltage Vr. Further, the negative bias side point Vc2 at which the characteristic is switched is in a region lower than the write voltage Vw “0”.

このような磁気抵抗効果素子に書き込み電圧(正のバイアス電圧)Vw“1”を与えると、第1及び第2ユニットU1,U2の磁化状態は、それぞれ、反平行になり、データ“1”が書き込まれる。   When a write voltage (positive bias voltage) Vw “1” is applied to such a magnetoresistive element, the magnetization states of the first and second units U1 and U2 are antiparallel, and data “1” is stored. Written.

また、磁気抵抗効果素子に書き込み電圧(負のバイアス電圧)Vw“0”を与えると、第1及び第2ユニットU1,U2の磁化状態は、それぞれ、平行になり、データ“0”が書き込まれる。   When a write voltage (negative bias voltage) Vw “0” is applied to the magnetoresistive effect element, the magnetization states of the first and second units U1 and U2 become parallel and data “0” is written. .

読み出し電圧Vrをバイアスしたときには、第1及び第2ユニットU1,U2は、共に、ノーマル状態になるため、データ“0”は低抵抗状態、データ“1”は高抵抗状態になる。   When the read voltage Vr is biased, the first and second units U1, U2 are both in the normal state, so that the data “0” is in the low resistance state and the data “1” is in the high resistance state.

(14) その他
第1乃至第13実施例において、第1ユニットU1を下側とし、第2ユニットU2を上側とした場合、第1ユニットU1は、導電体から構成される下地層上に形成される。また、第2ユニット上には、導電体から構成されるキャップ層が形成される。
(14) Other
In the first to thirteenth embodiments, when the first unit U1 is on the lower side and the second unit U2 is on the upper side, the first unit U1 is formed on a base layer made of a conductor. A cap layer made of a conductor is formed on the second unit.

読み出し電圧Vrについては、本例では、正のバイアス電圧(第2ユニットU2側が高電位)であるが、これに代えて、負のバイアス電圧(第1ユニットU1側が高電位)にしてもよい。   The read voltage Vr is a positive bias voltage (high potential on the second unit U2 side) in this example, but may instead be a negative bias voltage (high potential on the first unit U1 side).

6. 応用例
本発明の例は、デュアルピン構造の磁気抵抗効果素子において書き込み電流の低減と読み出し時のMR比の向上との両立を図るものであるが、この技術を応用すると、シングルピン構造の磁気抵抗効果素子において、書き込み電流(スピン注入電流)の向きを変えることなく、その大きさを変えるだけで、2値データ“0”,“1”の書き込みを行うことができる、という新技術を実現できる。
6). Application examples
The example of the present invention is intended to achieve both the reduction of the write current and the improvement of the MR ratio at the time of reading in the magnetoresistive effect element having the dual pin structure. In the device, it is possible to realize a new technique in which binary data “0” and “1” can be written only by changing the magnitude of the write current (spin injection current) without changing the direction.

この技術によれば、書き込み電流は、書き込みデータの値に関係なく、一方向のみに流せばよいため、周辺回路としてのドライバ/シンカーが簡略化され、チップサイズの縮小を図ることができる。   According to this technique, the write current only needs to flow in one direction regardless of the value of the write data. Therefore, the driver / sinker as a peripheral circuit is simplified, and the chip size can be reduced.

この応用例では、シングルピン構造の磁気抵抗効果素子を対象とするため、バイアス電圧については、以下のように定義する。   In this application example, a magnetoresistive effect element having a single pin structure is targeted, and the bias voltage is defined as follows.

フリー層12を高い電位とし、ピンド層11を低い電位とするバイアスを正のバイアス電圧とし、ピンド層11を高い電位とし、フリー層12を低い電位とするバイアスを負のバイアス電圧とする。   A bias that sets the free layer 12 at a high potential, a pinned layer 11 at a low potential is a positive bias voltage, a pinned layer 11 is at a high potential, and a bias that sets the free layer 12 at a low potential is a negative bias voltage.

(1) 第1応用例
図30は、第1応用例を示している。
(1) First application example
FIG. 30 shows a first application example.

磁気抵抗効果素子Uは、ピンド層11、フリー層12及びこれらの間に配置されるスペーサ層13を有する。スペーサ層13は、絶縁体又は半導体からなるトンネルバリア層である。   The magnetoresistive element U includes a pinned layer 11, a free layer 12, and a spacer layer 13 disposed therebetween. The spacer layer 13 is a tunnel barrier layer made of an insulator or a semiconductor.

ピンド層11及びフリー層12は、単層又は複数層の強磁性体から構成される。また、ピンド層11及びフリー層12は、SAF構造に代表される強磁性層/非磁性層/強磁性層構造を有していてもよい。   The pinned layer 11 and the free layer 12 are composed of a single layer or a plurality of layers of ferromagnetic materials. Further, the pinned layer 11 and the free layer 12 may have a ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer structure represented by the SAF structure.

磁気抵抗効果素子UのMR比のバイアス依存性は、低バイアス状態においてノーマルTMR特性を示し、高バイアス状態においてインバースTMR特性を示す、というものである。   The bias dependency of the MR ratio of the magnetoresistive element U is that it exhibits normal TMR characteristics in a low bias state and inverse TMR characteristics in a high bias state.

特性が切り替わるポイントVc1は、2つの書き込み電圧Vw“0”,Vw“1”の間にある。   The point Vc1 at which the characteristic is switched is between the two write voltages Vw “0” and Vw “1”.

読み出し電圧Vrを含めた電圧の大小関係は、0<Vr<Vw“0”<Vc1<Vw“1”となる。当然のことながら、Vw“1”は、磁気抵抗効果素子Uの破壊電圧Vbよりも小さい値である。   The magnitude relationship of the voltages including the read voltage Vr is 0 <Vr <Vw “0” <Vc1 <Vw “1”. As a matter of course, Vw “1” is a value smaller than the breakdown voltage Vb of the magnetoresistive effect element U.

このような磁気抵抗効果素子Uにおいて、図31に示すように、書き込み電圧(正のバイアス電圧)Vw“0”を与えると、磁気抵抗効果素子Uは、ノーマル状態になり、ピンド層11の磁化方向と同じ向きにスピン偏極された電子がピンド層11を通過し、フリー層12にスピン注入トルクを与える。   In such a magnetoresistive effect element U, as shown in FIG. 31, when a write voltage (positive bias voltage) Vw “0” is applied, the magnetoresistive effect element U enters a normal state, and the magnetization of the pinned layer 11 Electrons that are spin-polarized in the same direction as the direction pass through the pinned layer 11 and give a spin injection torque to the free layer 12.

その結果、磁気抵抗効果素子Uの磁化状態は、平行になり、データ“0”が書き込まれる。   As a result, the magnetization state of the magnetoresistive effect element U becomes parallel and data “0” is written.

また、図32に示すように、書き込み電圧(正のバイアス電圧)Vw“1”を与えると、磁気抵抗効果素子Uは、インバース状態になり、ピンド層11の磁化方向と逆向きにスピン偏極された電子がピンド層11を通過し、フリー層12にスピン注入トルクを与える。   Further, as shown in FIG. 32, when a write voltage (positive bias voltage) Vw “1” is applied, the magnetoresistive effect element U is in an inverse state and spin-polarized in the direction opposite to the magnetization direction of the pinned layer 11. The passed electrons pass through the pinned layer 11 and give a spin injection torque to the free layer 12.

その結果、磁気抵抗効果素子Uの磁化状態は、反平行になり、データ“1”が書き込まれる。   As a result, the magnetization state of the magnetoresistive effect element U becomes antiparallel, and data “1” is written.

さらに、図31及び図32に示すように、読み出し電圧(正のバイアス電圧)Vrをバイアスしたときには、磁気抵抗効果素子Uは、ノーマル状態になるため、データ“0”は低抵抗状態、データ“1”は高抵抗状態になる。   Further, as shown in FIGS. 31 and 32, when the read voltage (positive bias voltage) Vr is biased, the magnetoresistive element U is in the normal state, so that the data “0” is the low resistance state, the data “ 1 ″ is in a high resistance state.

尚、読み出し電圧Vrは、負のバイアス電圧としてもよい。   Note that the read voltage Vr may be a negative bias voltage.

(2) 第2応用例
図33は、第2応用例を示している。
(2) Second application example
FIG. 33 shows a second application example.

第2応用例は、第1応用例の変形例である。
第2応用例が第1応用例と異なる点は、読み出し電圧Vr及び書き込み電圧Vw“0”,Vw“1”を全て負のバイアス電圧とした点にある。
The second application example is a modification of the first application example.
The second application example differs from the first application example in that the read voltage Vr and the write voltages Vw “0” and Vw “1” are all negative bias voltages.

特性が切り替わるポイントVc2は、2つの書き込み電圧Vw“1”,Vw“0”の間にある。   The point Vc2 at which the characteristic is switched is between the two write voltages Vw “1” and Vw “0”.

読み出し電圧Vrを含めた電圧の大小関係は、0<|Vr|<|Vw“1”|<|Vc2|<|Vw“0”|となる。当然のことながら、|Vw“0”|は、磁気抵抗効果素子Uの破壊電圧|Vb|よりも小さい値である。   The magnitude relationship between voltages including the read voltage Vr is 0 <| Vr | <| Vw "1" | <| Vc2 | <| Vw "0" |. Naturally, | Vw “0” | is a value smaller than the breakdown voltage | Vb | of the magnetoresistive element U.

このような磁気抵抗効果素子Uにおいて、図34に示すように、書き込み電圧(負のバイアス電圧)Vw“1”を与えると、磁気抵抗効果素子Uは、ノーマル状態になり、ピンド層11の磁化方向と逆向きにスピン偏極された電子がピンド層11に反射され、フリー層12にスピン注入トルクを与える。   In such a magnetoresistive effect element U, as shown in FIG. 34, when a write voltage (negative bias voltage) Vw “1” is applied, the magnetoresistive effect element U enters a normal state, and the magnetization of the pinned layer 11 Electrons spin-polarized in the direction opposite to the direction are reflected by the pinned layer 11 and give a spin injection torque to the free layer 12.

その結果、磁気抵抗効果素子Uの磁化状態は、反平行になり、データ“1”が書き込まれる。   As a result, the magnetization state of the magnetoresistive effect element U becomes antiparallel, and data “1” is written.

また、図35に示すように、書き込み電圧(負のバイアス電圧)Vw“0”を与えると、磁気抵抗効果素子Uは、インバース状態になり、ピンド層11の磁化方向と同じ向きにスピン偏極された電子がピンド層11に反射され、フリー層12にスピン注入トルクを与える。   Further, as shown in FIG. 35, when a write voltage (negative bias voltage) Vw “0” is applied, the magnetoresistive effect element U is in an inverse state and spin polarized in the same direction as the magnetization direction of the pinned layer 11. The reflected electrons are reflected by the pinned layer 11 and give a spin injection torque to the free layer 12.

その結果、磁気抵抗効果素子Uの磁化状態は、平行になり、データ“0”が書き込まれる。   As a result, the magnetization state of the magnetoresistive effect element U becomes parallel and data “0” is written.

さらに、図34及び図35に示すように、読み出し電圧(負のバイアス電圧)Vrをバイアスしたときには、磁気抵抗効果素子Uは、ノーマル状態になるため、データ“0”は低抵抗状態、データ“1”は高抵抗状態になる。   Further, as shown in FIGS. 34 and 35, when the read voltage (negative bias voltage) Vr is biased, the magnetoresistive effect element U is in the normal state, so that the data “0” is the low resistance state, the data “ 1 ″ is in a high resistance state.

尚、読み出し電圧Vrは、正のバイアス電圧としてもよい。   Note that the read voltage Vr may be a positive bias voltage.

(3) 第3応用例
図36は、第3応用例を示している。
(3) Third application example
FIG. 36 shows a third application example.

磁気抵抗効果素子Uは、ピンド層11、フリー層12及びこれらの間に配置されるスペーサ層13を有する。スペーサ層13は、絶縁体又は半導体からなるトンネルバリア層である。   The magnetoresistive element U includes a pinned layer 11, a free layer 12, and a spacer layer 13 disposed therebetween. The spacer layer 13 is a tunnel barrier layer made of an insulator or a semiconductor.

ピンド層11及びフリー層12は、単層又は複数層の強磁性体から構成される。また、ピンド層11及びフリー層12は、SAF構造に代表される強磁性層/非磁性層/強磁性層構造を有していてもよい。   The pinned layer 11 and the free layer 12 are composed of a single layer or a plurality of layers of ferromagnetic materials. Further, the pinned layer 11 and the free layer 12 may have a ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer structure represented by the SAF structure.

磁気抵抗効果素子UのMR比のバイアス依存性は、低バイアス状態においてインバースTMR特性を示し、高バイアス状態においてノーマルTMR特性を示す、というものである。   The bias dependence of the MR ratio of the magnetoresistive effect element U indicates that it exhibits inverse TMR characteristics in a low bias state and normal TMR characteristics in a high bias state.

特性が切り替わるポイントVc2は、2つの書き込み電圧Vw“1”,Vw“0”の間にある。   The point Vc2 at which the characteristic is switched is between the two write voltages Vw “1” and Vw “0”.

読み出し電圧Vrを含めた電圧の大小関係は、0<|Vr|<|Vw“1”|<|Vc2|<|Vw“0”|となる。当然のことながら、|Vw“0”|は、磁気抵抗効果素子Uの破壊電圧|Vb|よりも小さい値である。   The magnitude relationship between voltages including the read voltage Vr is 0 <| Vr | <| Vw "1" | <| Vc2 | <| Vw "0" |. Naturally, | Vw “0” | is a value smaller than the breakdown voltage | Vb | of the magnetoresistive element U.

このような磁気抵抗効果素子Uにおいて、図37に示すように、書き込み電圧(負のバイアス電圧)Vw“1”を与えると、磁気抵抗効果素子Uは、インバース状態になり、ピンド層11の磁化方向と同じ向きにスピン偏極された電子がピンド層11に反射され、フリー層12にスピン注入トルクを与える。   In such a magnetoresistive effect element U, as shown in FIG. 37, when a write voltage (negative bias voltage) Vw “1” is applied, the magnetoresistive effect element U enters an inverse state, and the magnetization of the pinned layer 11 Electrons that are spin-polarized in the same direction as the direction are reflected by the pinned layer 11 and give a spin injection torque to the free layer 12.

その結果、磁気抵抗効果素子Uの磁化状態は、平行になり、データ“1”が書き込まれる。   As a result, the magnetization state of the magnetoresistive effect element U becomes parallel and data “1” is written.

また、図38に示すように、書き込み電圧(負のバイアス電圧)Vw“0”を与えると、磁気抵抗効果素子Uは、ノーマル状態になり、ピンド層11の磁化方向と逆向きにスピン偏極された電子がピンド層11に反射され、フリー層12にスピン注入トルクを与える。   As shown in FIG. 38, when a write voltage (negative bias voltage) Vw “0” is applied, the magnetoresistive effect element U is in a normal state and spin-polarized in the direction opposite to the magnetization direction of the pinned layer 11. The reflected electrons are reflected by the pinned layer 11 and give a spin injection torque to the free layer 12.

その結果、磁気抵抗効果素子Uの磁化状態は、反平行になり、データ“0”が書き込まれる。   As a result, the magnetization state of the magnetoresistive effect element U becomes antiparallel, and data “0” is written.

さらに、図37及び図38に示すように、読み出し電圧(負のバイアス電圧)Vrをバイアスしたときには、磁気抵抗効果素子Uは、インバース状態になるため、データ“0”は低抵抗状態、データ“1”は高抵抗状態になる。   Further, as shown in FIGS. 37 and 38, when the read voltage (negative bias voltage) Vr is biased, the magnetoresistive element U is in an inverse state, so that data “0” is in a low resistance state, data “ 1 ″ is in a high resistance state.

尚、読み出し電圧Vrは、正のバイアス電圧としてもよい。   Note that the read voltage Vr may be a positive bias voltage.

(4) 第4応用例
図39は、第4応用例を示している。
(4) Fourth application example
FIG. 39 shows a fourth application example.

第4応用例は、第3応用例の変形例である。
第4応用例が第3応用例と異なる点は、読み出し電圧Vr及び書き込み電圧Vw“0”,Vw“1”を全て正のバイアス電圧とした点にある。
The fourth application example is a modification of the third application example.
The fourth application example is different from the third application example in that the read voltage Vr and the write voltages Vw “0” and Vw “1” are all positive bias voltages.

特性が切り替わるポイントVc1は、2つの書き込み電圧Vw“0”,Vw“1”の間にある。   The point Vc1 at which the characteristic is switched is between the two write voltages Vw “0” and Vw “1”.

読み出し電圧Vrを含めた電圧の大小関係は、0<Vr<Vw“0”<Vc1<Vw“1”となる。当然のことながら、Vw“1”は、磁気抵抗効果素子Uの破壊電圧Vbよりも小さい値である。   The magnitude relationship of the voltages including the read voltage Vr is 0 <Vr <Vw “0” <Vc1 <Vw “1”. As a matter of course, Vw “1” is a value smaller than the breakdown voltage Vb of the magnetoresistive effect element U.

このような磁気抵抗効果素子Uにおいて、図40に示すように、書き込み電圧(正のバイアス電圧)Vw“0”を与えると、磁気抵抗効果素子Uは、インバース状態になり、ピンド層11の磁化方向と逆向きにスピン偏極された電子がピンド層11を通過し、フリー層12にスピン注入トルクを与える。   In such a magnetoresistive effect element U, as shown in FIG. 40, when a write voltage (positive bias voltage) Vw “0” is applied, the magnetoresistive effect element U enters an inverse state, and the magnetization of the pinned layer 11 Electrons that are spin-polarized in the direction opposite to the direction pass through the pinned layer 11 and give a spin injection torque to the free layer 12.

その結果、磁気抵抗効果素子Uの磁化状態は、反平行になり、データ“0”が書き込まれる。   As a result, the magnetization state of the magnetoresistive effect element U becomes antiparallel, and data “0” is written.

また、図41に示すように、書き込み電圧(正のバイアス電圧)Vw“1”を与えると、磁気抵抗効果素子Uは、ノーマル状態になり、ピンド層11の磁化方向と同じ向きにスピン偏極された電子がピンド層11を通過し、フリー層12にスピン注入トルクを与える。   As shown in FIG. 41, when a write voltage (positive bias voltage) Vw “1” is applied, the magnetoresistive effect element U is in a normal state and spin-polarized in the same direction as the magnetization direction of the pinned layer 11. The passed electrons pass through the pinned layer 11 and give a spin injection torque to the free layer 12.

その結果、磁気抵抗効果素子Uの磁化状態は、平行になり、データ“1”が書き込まれる。   As a result, the magnetization state of the magnetoresistive effect element U becomes parallel and data “1” is written.

さらに、図40及び図41に示すように、読み出し電圧(正のバイアス電圧)Vrをバイアスしたときには、磁気抵抗効果素子Uは、インバース状態になるため、データ“0”は低抵抗状態、データ“1”は高抵抗状態になる。   Further, as shown in FIGS. 40 and 41, when the read voltage (positive bias voltage) Vr is biased, the magnetoresistive effect element U is in the inverse state, so that the data “0” is the low resistance state, the data “ 1 ″ is in a high resistance state.

尚、読み出し電圧Vrは、負のバイアス電圧としてもよい。   Note that the read voltage Vr may be a negative bias voltage.

(5) まとめ
このように、応用例としてのシングルピン構造の磁気抵抗効果素子によれば、書き込み電流の向きを変えることなく、磁気抵抗効果素子に2値データを書き込むことが可能になる。
(5) Summary
Thus, according to the magnetoresistive effect element having a single pin structure as an application example, binary data can be written to the magnetoresistive effect element without changing the direction of the write current.

7. 適用例
本発明の例に関わるデュアルピン型磁気抵抗効果素子によれば、書き込み電流の低減と読み出し時のMR比の向上とを同時に実現できる。また、本発明の例を応用したシングルピン型磁気抵抗効果素子によれば、書き込み電流の向きを変えることなく、2値データの書き込みを実現できる。
7). Application examples
According to the dual pin type magnetoresistive effect element relating to the example of the present invention, it is possible to simultaneously realize the reduction of the write current and the improvement of the MR ratio at the time of reading. Also, according to the single pin type magnetoresistive effect element to which the example of the present invention is applied, it is possible to realize binary data writing without changing the direction of the write current.

従って、これらの磁気抵抗効果素子を、磁気ランダムアクセスメモリや、スピンFETなどの新規デバイスに適用することにより、その新規デバイスの実用化に貢献することができる。   Therefore, by applying these magnetoresistance effect elements to a new device such as a magnetic random access memory or a spin FET, it is possible to contribute to the practical use of the new device.

(1) 1Tr-1MTJ型磁気ランダムアクセスメモリ
A. 第1例
図42は、1Tr-1MTJ型磁気ランダムアクセスメモリの第1例を示している。
(1) 1Tr-1MTJ type magnetic random access memory
A. First example
FIG. 42 shows a first example of the 1Tr-1MTJ type magnetic random access memory.

メモリセルアレイ21は、複数のメモリセルから構成される。各々のメモリセルは、互いに直列接続される磁気抵抗効果素子MTJと選択トランジスタ(MISFET)STとから構成される。   The memory cell array 21 is composed of a plurality of memory cells. Each memory cell includes a magnetoresistive element MTJ and a select transistor (MISFET) ST connected in series with each other.

磁気抵抗効果素子MTJは、本発明の例に関わるデュアルピン型磁気抵抗効果素子が用いられる。   As the magnetoresistive effect element MTJ, a dual pin type magnetoresistive effect element according to an example of the present invention is used.

ワード線WL1,WL2,・・・は、ロウ方向に延び、その一端は、ロウデコーダ・ワード線ドライバ22に接続される。また、ワード線WL1,WL2,・・・は、選択トランジスタSTのゲート電極に接続される。   The word lines WL1, WL2,... Extend in the row direction, and one end thereof is connected to the row decoder / word line driver 22. Further, the word lines WL1, WL2,... Are connected to the gate electrode of the selection transistor ST.

下部ビット線BLd1,BLd2,BLd3,・・・及び上部ビット線BLu1,BLu2,BLu3,・・・は、ロウ方向に交差するカラム方向に延びる。   Lower bit lines BLd1, BLd2, BLd3,... And upper bit lines BLu1, BLu2, BLu3,... Extend in the column direction intersecting the row direction.

下部ビット線BLd1,BLd2,BLd3,・・・の一端は、カラムデコーダ・ビット線ドライバ/シンカー23Aに接続される。また、下部ビット線BLd1,BLd2,BLd3,・・・は、選択トランジスタSTの2つのソース/ドレイン拡散層の一方に接続される。   One end of each of the lower bit lines BLd1, BLd2, BLd3,... Is connected to a column decoder / bit line driver / sinker 23A. Further, the lower bit lines BLd1, BLd2, BLd3,... Are connected to one of the two source / drain diffusion layers of the selection transistor ST.

上部ビット線BLu1,BLu2,BLu3,・・・の一端は、カラムデコーダ・ビット線ドライバ/シンカー・センスアンプ24Aに接続される。また、上部ビット線BLu1,BLu2,BLu3,・・・は、磁気抵抗効果素子MTJの一端に接続される。磁気抵抗効果素子MTJの他端は、選択トランジスタSTの2つのソース/ドレイン拡散層の他方に接続される。   One end of each of the upper bit lines BLu1, BLu2, BLu3,... Is connected to a column decoder / bit line driver / sinker sense amplifier 24A. The upper bit lines BLu1, BLu2, BLu3,... Are connected to one end of the magnetoresistive element MTJ. The other end of the magnetoresistive element MTJ is connected to the other of the two source / drain diffusion layers of the select transistor ST.

このような磁気ランダムアクセスメモリにおいて、メモリセルMC1にデータを書き込む場合、ロウデコーダ・ワード線ドライバ22によりワード線WL1を活性化、例えば、“H”にし、メモリセルMC1内の選択トランジスタSTをオンにする。   In such a magnetic random access memory, when data is written to the memory cell MC1, the row decoder / word line driver 22 activates the word line WL1, for example, “H”, and turns on the selection transistor ST in the memory cell MC1. To.

また、カラムデコーダ23Aにより下部ビット線BLd1を選択し、かつ、カラムデコーダ24Aにより上部ビット線BLu1を選択する。   Further, the lower bit line BLd1 is selected by the column decoder 23A, and the upper bit line BLu1 is selected by the column decoder 24A.

そして、第1データ(例えば“0”)を書き込むときは、ビット線ドライバ/シンカー23Aからビット線ドライバ/シンカー24Aに向かって書き込み電流Iwを流す。   When writing the first data (for example, “0”), the write current Iw is supplied from the bit line driver / sinker 23A toward the bit line driver / sinker 24A.

また、第2データ(例えば“1”)を書き込むときは、ビット線ドライバ/シンカー24Aからビット線ドライバ/シンカー23Aに向かって書き込み電流Iwを流す。   When writing the second data (for example, “1”), the write current Iw is supplied from the bit line driver / sinker 24A to the bit line driver / sinker 23A.

メモリセルMC1からデータを読み出す場合には、ロウデコーダ・ワード線ドライバ22によりワード線WL1を活性化、例えば、“H”にし、メモリセルMC1内の選択トランジスタSTをオンにする。   When reading data from the memory cell MC1, the row decoder / word line driver 22 activates the word line WL1, for example, “H”, and turns on the selection transistor ST in the memory cell MC1.

また、カラムデコーダ23Aにより下部ビット線BLd1を選択し、かつ、カラムデコーダ24Aにより上部ビット線BLu1を選択する。   Further, the lower bit line BLd1 is selected by the column decoder 23A, and the upper bit line BLu1 is selected by the column decoder 24A.

そして、センスアンプ24Aからビット線ドライバ/シンカー23Aに向かって読み出し電流Irを流す。   Then, a read current Ir flows from the sense amplifier 24A toward the bit line driver / sinker 23A.

尚、読み出し電流Irは、書き込み電流Iwよりも小さくする。   Note that the read current Ir is made smaller than the write current Iw.

ここで、磁気抵抗効果素子MTJには、本発明の例に関わるデュアルピン型磁気抵抗効果素子が用いられるため、書き込み電流の低減と読み出し時のMR比の向上とを同時に実現できる。   Here, since the dual pin type magnetoresistive effect element according to the example of the present invention is used for the magnetoresistive effect element MTJ, it is possible to simultaneously reduce the write current and improve the MR ratio at the time of read.

B. 第2例
図43は、1Tr-1MTJ型磁気ランダムアクセスメモリの第2例を示している。
B. Second example
FIG. 43 shows a second example of the 1Tr-1MTJ type magnetic random access memory.

第2例が第1例と異なる点は、磁気抵抗効果素子MTJとして、本発明の応用例に関わるシングルピン型磁気抵抗効果素子を用いたことにある。   The second example is different from the first example in that a single pin type magnetoresistive effect element according to an application example of the present invention is used as the magnetoresistive effect element MTJ.

その結果、書き込み電流Iwの向きを変えることなく、2値データの書き込みが行えるようになるため、下部ビット線BLd1,BLd2,BLd3,・・・の一端には、カラムデコーダ・ビット線シンカー23Bが接続され、上部ビット線BLu1,BLu2,BLu3,・・・の一端には、カラムデコーダ・ビット線ドライバ・センスアンプ24Bが接続される。   As a result, since binary data can be written without changing the direction of the write current Iw, a column decoder / bit line sinker 23B is provided at one end of the lower bit lines BLd1, BLd2, BLd3,. A column decoder / bit line driver / sense amplifier 24B is connected to one end of the upper bit lines BLu1, BLu2, BLu3,.

このような磁気ランダムアクセスメモリにおいて、メモリセルMC1にデータを書き込む場合、ロウデコーダ・ワード線ドライバ22によりワード線WL1を活性化、例えば、“H”にし、メモリセルMC1内の選択トランジスタSTをオンにする。   In such a magnetic random access memory, when data is written in the memory cell MC1, the row decoder / word line driver 22 activates the word line WL1, for example, “H”, and turns on the selection transistor ST in the memory cell MC1. To.

また、カラムデコーダ23Bにより下部ビット線BLd1を選択し、かつ、カラムデコーダ24Bにより上部ビット線BLu1を選択する。   Further, the lower bit line BLd1 is selected by the column decoder 23B, and the upper bit line BLu1 is selected by the column decoder 24B.

そして、第1データ(例えば“0”)を書き込むときは、ビット線ドライバ24Bからビット線シンカー23Bに向かって第1値を有する書き込み電流Iwを流す。   When writing the first data (for example, “0”), a write current Iw having a first value is supplied from the bit line driver 24B toward the bit line sinker 23B.

また、第2データ(例えば“1”)を書き込むときは、ビット線ドライバ24Bからビット線シンカー23Bに向かって、第1値とは異なる第2値を有する書き込み電流Iwを流す。   When writing the second data (for example, “1”), a write current Iw having a second value different from the first value is supplied from the bit line driver 24B toward the bit line sinker 23B.

メモリセルMC1からデータを読み出す場合には、ロウデコーダ・ワード線ドライバ22によりワード線WL1を活性化、例えば、“H”にし、メモリセルMC1内の選択トランジスタSTをオンにする。   When reading data from the memory cell MC1, the row decoder / word line driver 22 activates the word line WL1, for example, “H”, and turns on the selection transistor ST in the memory cell MC1.

また、カラムデコーダ23Bにより下部ビット線BLd1を選択し、かつ、カラムデコーダ24Bにより上部ビット線BLu1を選択する。   Further, the lower bit line BLd1 is selected by the column decoder 23B, and the upper bit line BLu1 is selected by the column decoder 24B.

そして、センスアンプ24Bからビット線シンカー23Bに向かって読み出し電流Irを流す。   Then, a read current Ir flows from the sense amplifier 24B toward the bit line sinker 23B.

尚、読み出し電流Irは、書き込み電流(第1値及び第2値)Iwよりも小さくする。   Note that the read current Ir is made smaller than the write current (first value and second value) Iw.

C. デバイス構造
図44は、図42及び図43のメモリセルMC1のデバイス構造の例を示している。
C. Device structure
FIG. 44 shows an example of the device structure of the memory cell MC1 shown in FIGS.

シリコンなどの半導体基板31内には、STI(shallow trench isolation)構造の素子分離絶縁層32が形成される。素子分離絶縁層32に取り囲まれた素子領域内には、ソース/ドレイン拡散層33、ゲート絶縁層34及びゲート電極(ワード線WL1)35からなる選択トランジスタSTが形成される。   An element isolation insulating layer 32 having an STI (shallow trench isolation) structure is formed in a semiconductor substrate 31 such as silicon. In the element region surrounded by the element isolation insulating layer 32, a selection transistor ST including a source / drain diffusion layer 33, a gate insulating layer 34, and a gate electrode (word line WL1) 35 is formed.

ソース/ドレイン拡散層33の一つは、コンタクトプラグ36を介して下部ビット線BLd1に接続される。また、ソース/ドレイン拡散層33の他の一つは、コンタクトプラグ37、中間導電層38及びビアプラグ39を介して、下部電極40に接続される。   One of the source / drain diffusion layers 33 is connected to the lower bit line BLd1 through the contact plug 36. The other one of the source / drain diffusion layers 33 is connected to the lower electrode 40 through a contact plug 37, an intermediate conductive layer 38 and a via plug 39.

下部電極40上には、磁気抵抗効果素子MTJが形成される。磁気抵抗効果素子MTJ上には、導電体からなるキャップ層(ハードマスク)41が形成される。キャップ層41上には、上部ビット線BLu1が形成される。   A magnetoresistive element MTJ is formed on the lower electrode 40. A cap layer (hard mask) 41 made of a conductor is formed on the magnetoresistive element MTJ. On the cap layer 41, the upper bit line BLu1 is formed.

下部ビット線BLd1、上部ビット線BLu1、コンタクトプラグ36,37、中間導電層38、ビアプラグ39、下部電極40及びキャップ層41は、W, Al, Cu, AlCu などの導電体から構成される。   The lower bit line BLd1, the upper bit line BLu1, the contact plugs 36, 37, the intermediate conductive layer 38, the via plug 39, the lower electrode 40, and the cap layer 41 are made of a conductor such as W, Al, Cu, AlCu.

これらの材料としてCuを使用する場合には、ダマシンプロセス又はデュアルダマシンプロセスを採用するのが望ましい。   When using Cu as these materials, it is desirable to employ a damascene process or a dual damascene process.

図45は、図42及び図43のメモリセルMC1のデバイス構造の他の例を示している。   FIG. 45 shows another example of the device structure of the memory cell MC1 shown in FIGS.

この例の特徴は、磁気抵抗効果素子MTJがビアプラグ39上に直接配置されることにある。即ち、図44のデバイス構造における下部電極40を取り除くと、図45のデバイス構造になる。   The feature of this example is that the magnetoresistive effect element MTJ is directly disposed on the via plug 39. That is, when the lower electrode 40 in the device structure of FIG. 44 is removed, the device structure of FIG. 45 is obtained.

この構造の場合、磁気抵抗効果素子MTJのサイズは、ビアプラグ39のサイズよりも小さいことが望ましい。具体的には、半導体基板31の上部から見た場合に(平面的にみて)、磁気抵抗効果素子MTJがビアプラグ39内に収まるレイアウトとする。   In the case of this structure, the size of the magnetoresistive element MTJ is preferably smaller than the size of the via plug 39. Specifically, the layout is such that the magnetoresistive element MTJ is accommodated in the via plug 39 when viewed from above the semiconductor substrate 31 (in plan view).

但し、これに限られることはなく、平面的にみて、磁気抵抗効果素子MTJがビアプラグ39から多少はみ出していてもよい。また、磁気抵抗効果素子MTJのサイズがビアプラグ39のサイズよりも大きくてもよい。   However, the present invention is not limited to this, and the magnetoresistive element MTJ may slightly protrude from the via plug 39 in plan view. Further, the size of the magnetoresistive effect element MTJ may be larger than the size of the via plug 39.

ここで、リソグラフィやエッチング技術などによって決まる最小加工寸法をF(Minimum Feature Size)と定義すると、図44の構造を用いた場合の最小セルサイズは、8Fになる。これに対し、図45の構造を用いた場合の最小セルサイズは、4Fになる。 Here, if the minimum processing dimension determined by lithography or etching technique is defined as F (Minimum Feature Size), the minimum cell size when the structure of FIG. 44 is used is 8F 2 . On the other hand, the minimum cell size when the structure of FIG. 45 is used is 4F 2 .

フリー層の磁化反転を磁界により行う書き込み方式では、セルサイズの縮小に伴い、書き込み電流Iwの値が大きくなるため、磁気抵抗効果素子MTJのサイズは、できるだけ大きくすることが望ましい。従って、デイバス構造は、必然的に、図44に示すようになる。   In the write method in which the magnetization reversal of the free layer is performed by a magnetic field, the value of the write current Iw increases as the cell size is reduced. Therefore, it is desirable to increase the size of the magnetoresistive element MTJ as much as possible. Therefore, the device structure is necessarily as shown in FIG.

一方、スピン注入書き込み方式を採用する場合、セルサイズの縮小に伴い、書き込み電流Iwの値は小さくなるため、磁気抵抗効果素子MTJのサイズは、できるだけ小さくすることが望ましい。従って、デバイス構造としては、図45の構造を採用し易くなる。   On the other hand, when the spin injection writing method is employed, the value of the write current Iw decreases as the cell size decreases, and therefore it is desirable to reduce the size of the magnetoresistive element MTJ as much as possible. Therefore, it is easy to adopt the structure of FIG. 45 as the device structure.

D. まとめ
本発明の例に関わる磁気抵抗効果素子が適用された1Tr-1MTJ型磁気ランダムアクセスメモリによれば、磁化反転効率の向上に伴い、書き込み速度の向上という付随的効果を得ることができる。具体的には、書き込み速度は、数ナノ秒から数マイクロ秒までの範囲内の値を実現できる。
D. Summary
According to the 1Tr-1MTJ magnetic random access memory to which the magnetoresistive effect element according to the example of the present invention is applied, it is possible to obtain an accompanying effect of improving the writing speed as the magnetization reversal efficiency is improved. Specifically, the writing speed can realize a value within a range from several nanoseconds to several microseconds.

尚、読み出し時に磁気抵抗効果素子MTJに供給する読み出し電流Irは、書き込み時に磁気抵抗効果素子MTJに供給する書き込み電流Iwよりもパルス幅(供給時間)が短いことが望ましい。   It is desirable that the read current Ir supplied to the magnetoresistive element MTJ during reading has a shorter pulse width (supply time) than the write current Iw supplied to the magnetoresistive element MTJ during writing.

この場合、読み出し時におけるディスターブ(誤書き込み)を防止できる。これは、書き込み電流Iwのパルス幅を短くすると、書き込み電流の値の絶対値が大きくなり過ぎることに起因する。   In this case, disturb (erroneous writing) during reading can be prevented. This is because when the pulse width of the write current Iw is shortened, the absolute value of the value of the write current becomes too large.

つまり、書き込み電流Iwの値を小さくして低消費電流化を図ると共に、読み出し時のディスターブを防止するために、読み出し電流Irのパルス幅を書き込み電流Iwのパルス幅よりも短くする。   That is, the value of the write current Iw is reduced to reduce the current consumption, and the pulse width of the read current Ir is made shorter than the pulse width of the write current Iw in order to prevent disturbance during reading.

(2) クロスポイント型磁気ランダムアクセスメモリ
A. 第1例
図46は、クロスポイント型磁気ランダムアクセスメモリの第1例を示している。
(2) Cross-point magnetic random access memory
A. First example
FIG. 46 shows a first example of a cross-point type magnetic random access memory.

メモリセルアレイ51は、複数のメモリセルから構成される。各々のメモリセルは、磁気抵抗効果素子MTJから構成される。磁気抵抗効果素子MTJは、本発明の例に関わるデュアルピン型磁気抵抗効果素子が用いられる。   The memory cell array 51 is composed of a plurality of memory cells. Each memory cell includes a magnetoresistive element MTJ. As the magnetoresistive effect element MTJ, a dual pin type magnetoresistive effect element according to an example of the present invention is used.

ワード線WL1,WL2,WL3,・・・は、ロウ方向に延び、その一端は、ロウデコーダ・ワード線ドライバ/シンカー52Aに接続される。また、ワード線WL1,WL2,WL3,・・・は、磁気抵抗効果素子MTJの一端に接続される。   The word lines WL1, WL2, WL3,... Extend in the row direction, and one end thereof is connected to the row decoder / word line driver / sinker 52A. The word lines WL1, WL2, WL3,... Are connected to one end of the magnetoresistive element MTJ.

ビット線BL1,BL2,・・・は、ロウ方向に交差するカラム方向に延びる。ビット線BL1,BL2,・・・の一端は、カラムデコーダ・ビット線ドライバ/シンカー53Aに接続される。また、ビット線BL1,BL2,・・・は、磁気抵抗効果素子MTJの他端に接続される。   Bit lines BL1, BL2,... Extend in the column direction intersecting the row direction. One end of each of the bit lines BL1, BL2,... Is connected to a column decoder / bit line driver / sinker 53A. The bit lines BL1, BL2,... Are connected to the other end of the magnetoresistive element MTJ.

ビット線BL1,BL2,・・・の他端は、カラム選択スイッチ(MISFET)CSWを介してセンスアンプ(S/A)54に接続される。カラム選択スイッチCSWのゲート電極は、カラムデコーダ55に接続される。   The other ends of the bit lines BL1, BL2,... Are connected to a sense amplifier (S / A) 54 via a column selection switch (MISFET) CSW. The gate electrode of the column selection switch CSW is connected to the column decoder 55.

このような磁気ランダムアクセスメモリにおいて、メモリセルMC1にデータを書き込む場合、ロウデコーダ52Aによりワード線WL1を選択する。また、カラムデコーダ53Aによりビット線BL1を選択する。   In such a magnetic random access memory, when data is written to the memory cell MC1, the word line WL1 is selected by the row decoder 52A. Further, the bit line BL1 is selected by the column decoder 53A.

そして、第1データ(例えば“0”)を書き込むときは、ワード線ドライバ/シンカー52Aからビット線ドライバ/シンカー53Aに向かって書き込み電流Iwを流す。   When writing the first data (for example, “0”), the write current Iw is supplied from the word line driver / sinker 52A to the bit line driver / sinker 53A.

また、第2データ(例えば“1”)を書き込むときは、ビット線ドライバ/シンカー53Aからワード線ドライバ/シンカー52Aに向かって書き込み電流Iwを流す。   When writing the second data (for example, “1”), the write current Iw is supplied from the bit line driver / sinker 53A toward the word line driver / sinker 52A.

メモリセルMC1からデータを読み出す場合には、ロウデコーダ52Aによりワード線WL1を選択し、カラムデコーダ55によりビット線BL1を選択する。そして、センスアンプ54からワード線ドライバ/シンカー52Aに向かって読み出し電流Irを流す。   When reading data from the memory cell MC1, the word line WL1 is selected by the row decoder 52A, and the bit line BL1 is selected by the column decoder 55. Then, a read current Ir flows from the sense amplifier 54 toward the word line driver / sinker 52A.

尚、読み出し電流Irは、書き込み電流Iwよりも小さくする。   Note that the read current Ir is made smaller than the write current Iw.

ここで、磁気抵抗効果素子MTJには、本発明の例に関わるデュアルピン型磁気抵抗効果素子が用いられるため、書き込み電流の低減と読み出し時のMR比の向上とを同時に実現できる。   Here, since the dual pin type magnetoresistive effect element according to the example of the present invention is used for the magnetoresistive effect element MTJ, it is possible to simultaneously reduce the write current and improve the MR ratio at the time of read.

B. 第2例
図47は、クロスポイント型磁気ランダムアクセスメモリの第2例を示している。
B. Second example
FIG. 47 shows a second example of the cross-point type magnetic random access memory.

第2例が第1例と異なる点は、磁気抵抗効果素子MTJとして、本発明の応用例に関わるシングルピン型磁気抵抗効果素子を用いたことにある。   The second example is different from the first example in that a single pin type magnetoresistive effect element according to an application example of the present invention is used as the magnetoresistive effect element MTJ.

その結果、書き込み電流Iwの向きを変えることなく、2値データの書き込みが行えるようになるため、ワード線WL1,WL2,WL3,・・・の一端には、ロウデコーダ・ワード線シンカー52Bが接続され、ビット線BL1,BL2,・・・の一端には、カラムデコーダ・ビット線ドライバ53Bが接続される。   As a result, since binary data can be written without changing the direction of the write current Iw, a row decoder / word line sinker 52B is connected to one end of the word lines WL1, WL2, WL3,. The column decoder / bit line driver 53B is connected to one end of the bit lines BL1, BL2,.

また、“0”/“1”書き込みの書き込み電流Iwの向きが同じであるため、整流ダイオードDを用いた完全クロスポイント型スピン注入磁気ランダムアクセスメモリを実現できる。   Further, since the direction of the write current Iw for “0” / “1” write is the same, a complete cross-point type spin injection magnetic random access memory using the rectifier diode D can be realized.

ここで「完全」と称したのは、従来は、スピン注入書き込み方式とクロスポイント型とを組み合わせることが不可能であったことに由来する。   Here, the term “complete” is derived from the fact that it has been impossible in the past to combine the spin injection writing method with the cross-point type.

その理由は、クロスポイント型の場合には、読み出し時における回り込み電流(sneak current)を防止するために、磁気抵抗効果素子MTJに整流ダイオードを付加する手段が採用されるが、これを採用すると、書き込みデータに応じて書き込み電流Iwの向きを変えることが不可能になるためである。   The reason for this is that, in the case of the cross-point type, means for adding a rectifier diode to the magnetoresistive element MTJ is employed in order to prevent a sneak current at the time of reading. This is because it becomes impossible to change the direction of the write current Iw according to the write data.

本発明の応用例によれば、書き込みデータにかかわらず、書き込み電流Iwの向きが一定となるため、スピン注入書き込み方式とクロスポイント型との組み合わせが可能になる。   According to the application example of the present invention, since the direction of the write current Iw is constant regardless of the write data, a combination of the spin injection write method and the cross point type becomes possible.

また、クロスポイント型の場合、個々の磁気抵抗効果素子MTJに対して選択トランジスタを接続する必要がないため、書き込み電流Iwの大きさが選択トランジスタのサイズに制限される、という問題が発生しない。   Further, in the case of the cross-point type, it is not necessary to connect a selection transistor to each magnetoresistive element MTJ, so that the problem that the magnitude of the write current Iw is limited to the size of the selection transistor does not occur.

その結果、場合によっては、1mA以上の書き込み電流を磁気抵抗効果素子MTJに供給することもできる。   As a result, in some cases, a write current of 1 mA or more can be supplied to the magnetoresistive element MTJ.

また、セルサイズについては、選択トランジスタが存在しないために、ワード線及びビット線の幅をそれぞれFとした場合の最小サイズである4Fを容易に実現できる。 As for the cell size, since there is no selection transistor, 4F 2 which is the minimum size when the width of each of the word line and the bit line is F can be easily realized.

このような磁気ランダムアクセスメモリにおいて、メモリセルMC1にデータを書き込む場合、ロウデコーダ52Bによりワード線WL1を選択する。また、カラムデコーダ53Bによりビット線BL1を選択する。   In such a magnetic random access memory, when data is written to the memory cell MC1, the word line WL1 is selected by the row decoder 52B. Further, the bit line BL1 is selected by the column decoder 53B.

そして、第1データ(例えば“0”)を書き込むときは、ビット線ドライバ53Bからワード線シンカー52Bに向かって、第1値を有する書き込み電流Iwを流す。   When writing the first data (for example, “0”), a write current Iw having a first value is supplied from the bit line driver 53B toward the word line sinker 52B.

また、第2データ(例えば“1”)を書き込むときは、ビット線ドライバ53Bからワード線シンカー52Bに向かって、第1値とは異なる第2値を有する書き込み電流Iwを流す。   When writing the second data (for example, “1”), a write current Iw having a second value different from the first value is supplied from the bit line driver 53B toward the word line sinker 52B.

メモリセルMC1からデータを読み出す場合には、ロウデコーダ52Bによりワード線WL1を選択し、カラムデコーダ55によりビット線BL1を選択する。そして、センスアンプ54からワード線シンカー52Bに向かって読み出し電流Irを流す。   When reading data from the memory cell MC1, the word line WL1 is selected by the row decoder 52B, and the bit line BL1 is selected by the column decoder 55. Then, a read current Ir flows from the sense amplifier 54 toward the word line sinker 52B.

尚、読み出し電流Irは、書き込み電流(第1値及び第2値)Iwよりも小さくする。   Note that the read current Ir is made smaller than the write current (first value and second value) Iw.

C. デバイス構造
図48は、図46のメモリセルMC1のデバイス構造の例を示している。
C. Device structure
FIG. 48 shows an example of the device structure of the memory cell MC1 of FIG.

シリコンなどの半導体基板61の上部には、ワード線WL1が形成される。ワード線WL1上には、磁気抵抗効果素子MTJが形成される。磁気抵抗効果素子MTJ上には、導電体からなるキャップ層(ハードマスク)62が形成される。キャップ層62上には、ビット線BL1が形成される。   A word line WL1 is formed on an upper portion of a semiconductor substrate 61 such as silicon. A magnetoresistive element MTJ is formed on the word line WL1. A cap layer (hard mask) 62 made of a conductor is formed on the magnetoresistive element MTJ. On the cap layer 62, the bit line BL1 is formed.

ワード線WL1、ビット線BL1及びキャップ層62は、W, Al, Cu, AlCu などの導電体から構成される。   The word line WL1, the bit line BL1, and the cap layer 62 are made of a conductor such as W, Al, Cu, and AlCu.

これらの材料としてCuを使用する場合には、ダマシンプロセス又はデュアルダマシンプロセスを採用するのが望ましい。   When using Cu as these materials, it is desirable to employ a damascene process or a dual damascene process.

図49は、図47のメモリセルMC1のデバイス構造の例を示している。   FIG. 49 shows an example of the device structure of the memory cell MC1 of FIG.

この例の特徴は、ワード線WL1と磁気抵抗効果素子MTJとの間に整流ダイオードDが形成されていることにある。即ち、図48のデバイス構造に整流ダイオードDを追加すると、図49のデバイス構造になる。   A feature of this example is that a rectifier diode D is formed between the word line WL1 and the magnetoresistive element MTJ. That is, when the rectifier diode D is added to the device structure of FIG. 48, the device structure of FIG. 49 is obtained.

尚、整流ダイオードDは、磁気抵抗効果素子MTJとキャップ層62との間に形成してもよい。   Note that the rectifier diode D may be formed between the magnetoresistive element MTJ and the cap layer 62.

D. まとめ
本発明の例に関わる磁気抵抗効果素子が適用されたクロスポイント型磁気ランダムアクセスメモリによれば、磁化反転効率の向上に伴い、書き込み速度の向上という付随的効果を得ることができる。具体的には、書き込み速度は、数ナノ秒から数マイクロ秒までの範囲内の値を実現できる。
D. Summary
According to the cross-point type magnetic random access memory to which the magnetoresistive effect element according to the example of the present invention is applied, an accompanying effect of improving the writing speed can be obtained as the magnetization reversal efficiency is improved. Specifically, the writing speed can realize a value within a range from several nanoseconds to several microseconds.

尚、読み出し時に磁気抵抗効果素子MTJに供給する読み出し電流Irは、書き込み時に磁気抵抗効果素子MTJに供給する書き込み電流Iwよりもパルス幅(供給時間)が短いことが望ましい。   It is desirable that the read current Ir supplied to the magnetoresistive element MTJ during reading has a shorter pulse width (supply time) than the write current Iw supplied to the magnetoresistive element MTJ during writing.

この場合、読み出し時におけるディスターブ(誤書き込み)を防止できる。これは、書き込み電流Iwのパルス幅を短くすると、書き込み電流の値の絶対値が大きくなり過ぎることに起因する。   In this case, disturb (erroneous writing) during reading can be prevented. This is because when the pulse width of the write current Iw is shortened, the absolute value of the value of the write current becomes too large.

つまり、書き込み電流Iwの値を小さくして低消費電流化を図ると共に、読み出し時のディスターブを防止するために、読み出し電流Irのパルス幅を書き込み電流Iwのパルス幅よりも短くする。   That is, the value of the write current Iw is reduced to reduce the current consumption, and the pulse width of the read current Ir is made shorter than the pulse width of the write current Iw in order to prevent disturbance during reading.

8. むすび
本発明の例によれば、デュアルピン構造の磁気抵抗効果素子において、書き込み電流の低減と読み出し時のMR比の向上との両立を図ることができる。
8). Conclusion
According to the example of the present invention, in a magnetoresistive effect element having a dual pin structure, it is possible to achieve both reduction in write current and improvement in MR ratio at the time of reading.

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

デュアルピン構造の例を示す断面図。Sectional drawing which shows the example of a dual pin structure. デュアルピン構造の例を示す断面図。Sectional drawing which shows the example of a dual pin structure. ピンド層の例を示す断面図。Sectional drawing which shows the example of a pinned layer. ピンド層の例を示す断面図。Sectional drawing which shows the example of a pinned layer. フリー層の例を示す断面図。Sectional drawing which shows the example of a free layer. フリー層の例を示す断面図。Sectional drawing which shows the example of a free layer. 2つのピンド層の磁化方向が逆である磁気抵抗効果素子の第1例を示す図。The figure which shows the 1st example of the magnetoresistive effect element with which the magnetization direction of two pinned layers is reverse. 2つのピンド層の磁化方向が逆である磁気抵抗効果素子の第1例を示す図。The figure which shows the 1st example of the magnetoresistive effect element with which the magnetization direction of two pinned layers is reverse. 2つのピンド層の磁化方向が逆である磁気抵抗効果素子の第2例を示す図。The figure which shows the 2nd example of the magnetoresistive effect element in which the magnetization direction of two pinned layers is reverse. 2つのピンド層の磁化方向が逆である磁気抵抗効果素子の第2例を示す図。The figure which shows the 2nd example of the magnetoresistive effect element in which the magnetization direction of two pinned layers is reverse. 2つのピンド層の磁化方向が同じである磁気抵抗効果素子の第1例を示す図。The figure which shows the 1st example of the magnetoresistive effect element in which the magnetization direction of two pinned layers is the same. 2つのピンド層の磁化方向が同じである磁気抵抗効果素子の第1例を示す図。The figure which shows the 1st example of the magnetoresistive effect element in which the magnetization direction of two pinned layers is the same. 2つのピンド層の磁化方向が同じである磁気抵抗効果素子の第2例を示す図。The figure which shows the 2nd example of the magnetoresistive effect element in which the magnetization direction of two pinned layers is the same. 2つのピンド層の磁化方向が同じである磁気抵抗効果素子の第2例を示す図。The figure which shows the 2nd example of the magnetoresistive effect element in which the magnetization direction of two pinned layers is the same. MR比のバイアス依存性の制御方法の例を示す図。The figure which shows the example of the control method of the bias dependence of MR ratio. MR比のバイアス依存性の制御方法の例を示す図。The figure which shows the example of the control method of the bias dependence of MR ratio. 第1実施例を示す図。The figure which shows 1st Example. 第2実施例を示す図。The figure which shows 2nd Example. 第3実施例を示す図。The figure which shows 3rd Example. 第4実施例を示す図。The figure which shows 4th Example. 第5実施例を示す図。The figure which shows 5th Example. 第6実施例を示す図。The figure which shows 6th Example. 第7実施例を示す図。The figure which shows 7th Example. 第8実施例を示す図。The figure which shows 8th Example. 第9実施例を示す図。The figure which shows 9th Example. 第10実施例を示す図。The figure which shows 10th Example. 第11実施例を示す図。The figure which shows 11th Example. 第12実施例を示す図。The figure which shows 12th Example. 第13実施例を示す図。The figure which shows 13th Example. 第1応用例を示す図。The figure which shows a 1st application example. 第1応用例を示す図。The figure which shows a 1st application example. 第1応用例を示す図。The figure which shows a 1st application example. 第2応用例を示す図。The figure which shows a 2nd application example. 第2応用例を示す図。The figure which shows a 2nd application example. 第2応用例を示す図。The figure which shows a 2nd application example. 第3応用例を示す図。The figure which shows the 3rd application example. 第3応用例を示す図。The figure which shows the 3rd application example. 第3応用例を示す図。The figure which shows the 3rd application example. 第4応用例を示す図。The figure which shows a 4th application example. 第4応用例を示す図。The figure which shows a 4th application example. 第4応用例を示す図。The figure which shows a 4th application example. 1Tr-1MTJ型磁気ランダムアクセスメモリの第1例を示す図。The figure which shows the 1st example of 1Tr-1MTJ type | mold magnetic random access memory. 1Tr-1MTJ型磁気ランダムアクセスメモリの第2例を示す図。The figure which shows the 2nd example of 1Tr-1MTJ type | mold magnetic random access memory. メモリセルの構造例を示す断面図。Sectional drawing which shows the structural example of a memory cell. メモリセルの構造例を示す断面図。Sectional drawing which shows the structural example of a memory cell. クロスポイント型磁気ランダムアクセスメモリの第1例を示す図。The figure which shows the 1st example of a crosspoint type | mold magnetic random access memory. クロスポイント型磁気ランダムアクセスメモリの第2例を示す図。The figure which shows the 2nd example of a crosspoint type | mold magnetic random access memory. メモリセルの構造例を示す断面図。Sectional drawing which shows the structural example of a memory cell. メモリセルの構造例を示す断面図。Sectional drawing which shows the structural example of a memory cell.

符号の説明Explanation of symbols

11A,11B: ピンド層(強磁性層)、 12: フリー層(強磁性層)、 13A,13B: スペーサ層(非磁性層)、 14: 反強磁性層、 21,51: メモリセルアレイ、 22: ロウデコーダ・ワード線ドライバ、 23A: カラムデコーダ・ビット線ドライバ/シンカー、 23B: カラムデコーダ・ビット線シンカー、 24A: カラムデコーダ・ビット線ドライバ/シンカー・センスアンプ、 24B: カラムデコーダ・ビット線ドライバ・センスアンプ、 31,61: 半導体基板、 32: 素子分離絶縁層、 33: ソース/ドレイン拡散層、 34: ゲート絶縁層、 35: ゲート電極、 36,37: コンタクトプラグ、 38: 中間導電層、 39: ビアプラグ、 40: 下部電極、 41,62: キャップ層、 52A: ロウデコーダ・ワード線ドライバ/シンカー、 52B: ロウデコーダ・ワード線シンカー、 53A: カラムデコーダ・ビット線ドライバ/シンカー、 53B: カラムデコーダ・ビット線ドライバ、 54: センスアンプ、 55: カラムデコーダ、 MTJ: 磁気抵抗効果素子、 ST: 選択トランジスタ、 D: 整流ダイオード。   11A, 11B: Pinned layer (ferromagnetic layer), 12: Free layer (ferromagnetic layer), 13A, 13B: Spacer layer (nonmagnetic layer), 14: Antiferromagnetic layer, 21, 51: Memory cell array, 22: Row decoder / word line driver, 23A: Column decoder / bit line driver / sinker, 23B: Column decoder / bit line sinker, 24A: Column decoder / bit line driver / sinker sense amplifier, 24B: Column decoder / bit line driver / Sense amplifiers 31, 61: Semiconductor substrate, 32: Element isolation insulating layer, 33: Source / drain diffusion layer, 34: Gate insulating layer, 35: Gate electrode, 36, 37: Contact plug, 38: Intermediate conductive layer, 39 : Via plug, 40: Lower electrode, 41, 62: Cap layer, 52A: Row decoder / word line driver / sinker, 52B: Row decoder / word line sinker, 53A: Column decoder / bit line driver / sinker, 53B: Column decoder / bit line driver, 54: Sense amplifier, 55: Column decoder, MTJ: magnetoresistive effect element, ST: selection transistor, D: rectifier diode.

Claims (20)

磁化方向が互いに逆向きに固定される第1及び第2強磁性層と、前記第1及び第2強磁性層の間に配置され、磁化方向が変化する第3強磁性層と、前記第1及び第3強磁性層の間に配置される第1非磁性層と、前記第2及び第3強磁性層の間に配置される第2非磁性層とを具備し、
前記第1及び第2強磁性層の間に読み出し電圧をバイアスしたときに、前記第1強磁性層、前記第1非磁性層及び前記第3強磁性層から構成される第1ユニットのMR比は、インバース状態にあり、前記第2強磁性層、前記第2非磁性層及び前記第3強磁性層から構成される第2ユニットのMR比は、ノーマル状態にあり、
前記第1及び第2強磁性層の間に書き込み電圧をバイアスしたときに、前記第1及び第2ユニットのMR比は、共に、前記ノーマル状態又は前記インバース状態にある
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
The first and second ferromagnetic layers whose magnetization directions are fixed opposite to each other; the third ferromagnetic layer disposed between the first and second ferromagnetic layers, the magnetization direction of which varies; and the first And a first nonmagnetic layer disposed between the third ferromagnetic layer and a second nonmagnetic layer disposed between the second and third ferromagnetic layers,
The MR ratio of the first unit comprising the first ferromagnetic layer, the first nonmagnetic layer, and the third ferromagnetic layer when a read voltage is biased between the first and second ferromagnetic layers. Is in an inverse state, and the MR ratio of the second unit composed of the second ferromagnetic layer, the second nonmagnetic layer, and the third ferromagnetic layer is in a normal state,
The MR ratio of the first and second units is in the normal state or the inverse state when a write voltage is biased between the first and second ferromagnetic layers. Effect element.
磁化方向が互いに同じ向きに固定される第1及び第2強磁性層と、前記第1及び第2強磁性層の間に配置され、磁化方向が変化する第3強磁性層と、前記第1及び第3強磁性層の間に配置される第1非磁性層と、前記第2及び第3強磁性層の間に配置される第2非磁性層とを具備し、
前記第1及び第2強磁性層の間に読み出し電圧をバイアスしたときに、前記第1強磁性層、前記第1非磁性層及び前記第3強磁性層から構成される第1ユニットのMR比、及び、前記第2強磁性層、前記第2非磁性層及び前記第3強磁性層から構成される第2ユニットのMR比は、共に、ノーマル状態又はインバース状態にあり、
前記第1及び第2強磁性層の間に書き込み電圧をバイアスしたときに、前記第1ユニットのMR比は、前記インバース状態にあり、前記第2ユニットのMR比は、前記ノーマル状態にある
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
The first and second ferromagnetic layers whose magnetization directions are fixed in the same direction, the third ferromagnetic layer disposed between the first and second ferromagnetic layers and changing the magnetization direction, and the first And a first nonmagnetic layer disposed between the third ferromagnetic layer and a second nonmagnetic layer disposed between the second and third ferromagnetic layers,
The MR ratio of the first unit comprising the first ferromagnetic layer, the first nonmagnetic layer, and the third ferromagnetic layer when a read voltage is biased between the first and second ferromagnetic layers. And the MR ratio of the second unit composed of the second ferromagnetic layer, the second nonmagnetic layer, and the third ferromagnetic layer are both in a normal state or an inverse state,
When a write voltage is biased between the first and second ferromagnetic layers, the MR ratio of the first unit is in the inverse state, and the MR ratio of the second unit is in the normal state. A magnetoresistive effect element.
前記第1及び第2ユニットのMR比は、バイアス依存性を有し、前記第1及び第2ユニットのMR比のうちの1つは、前記読み出し電圧と前記書き込み電圧との間の領域で、前記ノーマル状態及び前記インバース状態のうちの一方から他方に変化することを特徴とする請求項1又は2に記載の磁気抵抗効果素子。   The MR ratio of the first and second units has a bias dependency, and one of the MR ratios of the first and second units is a region between the read voltage and the write voltage. The magnetoresistive effect element according to claim 1, wherein the magnetoresistive effect element changes from one of the normal state and the inverse state to the other. 前記第1及び第2非磁性層は、絶縁体又は半導体から構成され、トンネル磁気抵抗効果を発生させることを特徴とする請求項3に記載の磁気抵抗効果素子。   4. The magnetoresistive element according to claim 3, wherein the first and second nonmagnetic layers are made of an insulator or a semiconductor and generate a tunnel magnetoresistive effect. 前記第1及び第2ユニットのMR比の1つは、バイアス依存性を有し、前記第1及び第2ユニットのMR比のうち前記バイアス依存性を有するものは、前記読み出し電圧と前記書き込み電圧との間の領域で、前記ノーマル状態及び前記インバース状態のうちの一方から他方に変化することを特徴とする請求項1又は2に記載の磁気抵抗効果素子。   One of the MR ratios of the first and second units has a bias dependency, and one of the MR ratios of the first and second units having the bias dependency is the read voltage and the write voltage. 3. The magnetoresistive effect element according to claim 1, wherein the magnetoresistive effect element changes from one of the normal state and the inverse state to the other in a region between the first and second states. 前記第1ユニットが前記バイアス依存性を有する場合、前記第1非磁性層は、絶縁体又は半導体から構成され、トンネル磁気抵抗効果を発生させることを特徴とする請求項5に記載の磁気抵抗効果素子。   6. The magnetoresistive effect according to claim 5, wherein when the first unit has the bias dependence, the first nonmagnetic layer is made of an insulator or a semiconductor and generates a tunnel magnetoresistive effect. element. 前記第2ユニットが前記バイアス依存性を有する場合、前記第2非磁性層は、絶縁体又は半導体から構成され、トンネル磁気抵抗効果を発生させることを特徴とする請求項5に記載の磁気抵抗効果素子。   6. The magnetoresistive effect according to claim 5, wherein when the second unit has the bias dependency, the second nonmagnetic layer is made of an insulator or a semiconductor and generates a tunnel magnetoresistive effect. element. 前記第1、第2及び第3強磁性層の磁化方向は、これらがスタックされる方向であることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子。   The magnetoresistive effect element according to any one of claims 1 to 7, wherein the magnetization directions of the first, second, and third ferromagnetic layers are directions in which they are stacked. 前記第1、第2及び第3強磁性層の磁化方向は、これらがスタックされる方向に対して垂直な方向であることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子。   8. The magnetism according to claim 1, wherein the magnetization directions of the first, second and third ferromagnetic layers are perpendicular to a direction in which they are stacked. Resistive effect element. 前記書き込み電圧の向きは、書き込みデータの値に応じて変化することを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子。   The magnetoresistive effect element according to claim 1, wherein the direction of the write voltage changes according to a value of write data. 請求項1乃至10のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子をメモリセルとして備えることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。   11. A magnetic random access memory comprising the magnetoresistive effect element according to claim 1 as a memory cell. 磁化方向が固定される第1強磁性層と、磁化方向が変化する第2強磁性層と、前記第1及び第2強磁性層の間に配置される非磁性層とを具備し、
第1データを書き込むために前記第1及び第2強磁性層の間に第1書き込み電圧をバイアスしたときのMR比がノーマル状態にあり、
第2データを書き込むために前記第1及び第2強磁性層の間に第2書き込み電圧をバイアスしたときのMR比がインバース状態にある
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
A first ferromagnetic layer whose magnetization direction is fixed, a second ferromagnetic layer whose magnetization direction changes, and a nonmagnetic layer disposed between the first and second ferromagnetic layers,
The MR ratio when the first write voltage is biased between the first and second ferromagnetic layers to write the first data is in a normal state;
A magnetoresistive effect element, wherein an MR ratio when a second write voltage is biased between the first and second ferromagnetic layers to write second data is in an inverse state.
前記第1及び第2書き込み電圧の向きは同じであることを特徴とする請求項12に記載の磁気抵抗効果素子。   The magnetoresistive effect element according to claim 12, wherein directions of the first and second write voltages are the same. 前記第1及び第2書き込み電圧の大きさは異なることを特徴とする請求項12又は13に記載の磁気抵抗効果素子。   14. The magnetoresistive element according to claim 12, wherein the magnitudes of the first and second write voltages are different. 前記第1及び第2強磁性層の間に読み出し電圧をバイアスしたときのMR比は、前記ノーマル状態又は前記インバース状態にあることを特徴とする請求項12乃至14のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子。   15. The MR ratio when a read voltage is biased between the first and second ferromagnetic layers is in the normal state or the inverse state. 15. Magnetoresistive effect element. 前記MR比は、バイアス依存性を有し、前記第1及び第2書き込み電圧の間の領域で、前記ノーマル状態及び前記インバース状態のうちの一方から他方に変化することを特徴とする請求項12乃至15のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子。   13. The MR ratio has a bias dependency and changes from one of the normal state and the inverse state to the other in a region between the first and second write voltages. The magnetoresistive effect element of any one of thru | or 15. 前記非磁性層は、絶縁体又は半導体から構成され、トンネル磁気抵抗効果を発生させることを特徴とする請求項16に記載の磁気抵抗効果素子。   The magnetoresistive effect element according to claim 16, wherein the nonmagnetic layer is made of an insulator or a semiconductor and generates a tunnel magnetoresistive effect. 前記第1及び第2強磁性層の磁化方向は、これらがスタックされる方向であることを特徴とする請求項12乃至17のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子。   The magnetoresistive effect element according to any one of claims 12 to 17, wherein the magnetization directions of the first and second ferromagnetic layers are directions in which they are stacked. 前記第1及び第2強磁性層の磁化方向は、これらがスタックされる方向に対して垂直な方向であることを特徴とする請求項12乃至17のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子。   18. The magnetoresistive element according to claim 12, wherein the magnetization directions of the first and second ferromagnetic layers are perpendicular to a direction in which the first and second ferromagnetic layers are stacked. . 請求項12乃至19のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子をメモリセルとして備えることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。   20. A magnetic random access memory comprising the magnetoresistive effect element according to claim 12 as a memory cell.
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