JP2009049101A - Magnetic memory element and magnetic memory device - Google Patents

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Minoru Igarashi
実 五十嵐
Hiroshi Kano
博司 鹿野
Takenori Oishi
雄紀 大石
Ichiyo Yamane
一陽 山根
Yutaka Higo
豊 肥後
Tetsuya Yamamoto
哲也 山元
Hiroyuki Omori
広之 大森
Masakatsu Hosomi
政功 細見
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a spin injected inverted magnetization MTJ element which is less in failure in writing and has small threshold of write current density by improving transient characteristics during writing, and can be highly integrated, made fast, and reduced in power consumption, and to provide a magnetic memory device using the same. <P>SOLUTION: A magnetic memory element which has a free magnetization layer 5 which is made of a ferromagnetic conductor and changeable in the magnetization direction and stores the magnetization direction as information and a fixed magnetization layer 3 which is made of a ferromagnetic conductor and fixed in magnetization direction, and is configured to write information by magnetizing the free magnetization layer 5 in a predetermined direction with a spin polarization current penetrating those ferromagnetic conductor layers and to read the information by using magnetoresistance effect is provided with a free spin torque layer (magnetized coupler) 13 which is magnetically coupled to the free magnetization layer 5 to suppress change in magnetization direction caused when the magnetization direction of the free magnetization layer 5 is inverted, and prevents the spin polarization current from flowing in the free spin torque layer 13. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、磁化方向の変化が可能で、この磁化方向を情報として記憶する磁化自由層(記憶層)と、磁化方向が固定されている磁化固定層とを有し、これらの強磁性導体層を貫流する電流によって情報の書き込みと読み出しを行う磁気メモリ素子、及び、この磁気メモリ素子からなるメモリ部を備えた磁気メモリ装置、例えば、磁気ランダムアクセスメモリ(Magnetic Random Access Memory;MRAM)として構成された磁気メモリ装置に関するものである。   The present invention has a magnetization free layer (memory layer) that can change the magnetization direction and stores this magnetization direction as information, and a magnetization fixed layer in which the magnetization direction is fixed, and these ferromagnetic conductor layers A magnetic memory device that writes and reads information by a current flowing through the memory, and a magnetic memory device including a memory unit that includes the magnetic memory device, for example, a magnetic random access memory (MRAM) The present invention relates to a magnetic memory device.

情報通信機器、特に携帯端末などの個人用小型機器の飛躍的な普及に伴い、これらを構成するメモリやロジックなどの素子には、高集積化、高速化、低消費電力化など、さらなる高性能化が求められている。   With the rapid spread of information communication devices, especially small personal devices such as portable terminals, the elements such as memory and logic that make up these devices have higher performance such as higher integration, higher speed, and lower power consumption. Is required.

特に、不揮発性メモリは電源が切断されても情報を保持することができるため、機器の低消費電力化に不可欠であり、その大容量化および高速化が強く望まれている。ハードディスク装置などの、機械的な駆動部分を有するメモリ装置は、本質的に小型化、高速化、低消費電力化が困難である。従って、半導体不揮発性メモリは、ハードディスク装置などと相補的なメモリ装置として、また、電源投入と同時にシステムを起動できる、いわゆる「インスタント・オン」などの新しい機能の実現を可能とするメモリ装置として、ますます重要になってきている。   In particular, a nonvolatile memory is indispensable for reducing the power consumption of a device because it can retain information even when the power is turned off, and its large capacity and high speed are strongly desired. A memory device having a mechanical drive portion such as a hard disk device is essentially difficult to reduce in size, increase in speed, and reduce power consumption. Therefore, the semiconductor nonvolatile memory is a memory device complementary to a hard disk device or the like, and a memory device that can realize a new function such as so-called “instant on” that can start the system at the same time as the power is turned on. It is becoming increasingly important.

半導体不揮発性メモリとしては、フラッシュメモリや、強誘電体を用いたFRAM(Ferroelectric Random Access Memory )などが実用化されているが、近年、高速、大容量、低消費電力の不揮発性メモリとして、磁気抵抗効果を利用した磁気ランダムアクセスメモリ(Magnetic Random Access Memory:MRAM)が注目され、開発が進められている(例えば、日経エレクトロニクス,2001年2月12日号,p.164−171参照。)。   As a semiconductor non-volatile memory, a flash memory, a FRAM (Ferroelectric Random Access Memory) using a ferroelectric, and the like have been put into practical use. However, in recent years, a high-speed, large-capacity, low power consumption non-volatile memory has been developed. Magnetic Random Access Memory (MRAM) using the resistance effect has attracted attention and is being developed (see, for example, Nikkei Electronics, February 12, 2001, p.164-171).

初期のMRAMは、巨大磁気抵抗(Giant Magnetoresistance;GMR)効果などを用いるスピンバルブをベースにしたものであった。しかし、近年、トンネル磁気抵抗(Tunnel Magnetoresistance;TMR)効果を用いる材料の特性向上によって、TMR効果を用いる磁気メモリ素子、すなわちMTJ素子からなるMRAMが注目されるようになってきている。   Early MRAM was based on a spin valve using a giant magnetoresistance (GMR) effect or the like. However, in recent years, magnetic memory elements using the TMR effect, that is, MRAMs composed of MTJ elements, have attracted attention due to improved characteristics of materials using the tunnel magnetoresistance (TMR) effect.

図7(a)は、MTJ素子の基本構造と、その記憶情報の読み出し動作を示す説明図である。図7(a)に示すように、MTJ素子100は、磁化自由層(記憶層)105と磁化固定層103との2つの強磁性層の間に、非磁性の薄い絶縁層であるトンネルバリア層104を挟持した構造、いわゆる磁気トンネル接合(Magnetic Tunnel Junction:MTJ)を有する。磁化自由層(記憶層)105は、一軸磁気異方性を有する強磁性導体からなり、磁化方向の変化が可能で、磁化方向を情報として記憶することができる。例えば、その磁化方向が、磁化固定層103の磁化方向に対して「平行」であるか、「反平行」であるかを、それぞれ「0」および「1」の情報として記憶する。   FIG. 7A is an explanatory diagram showing the basic structure of the MTJ element and the reading operation of the stored information. As shown in FIG. 7A, the MTJ element 100 includes a tunnel barrier layer that is a thin nonmagnetic insulating layer between two ferromagnetic layers of a magnetization free layer (storage layer) 105 and a magnetization fixed layer 103. It has a structure sandwiching 104, a so-called magnetic tunnel junction (MTJ). The magnetization free layer (memory layer) 105 is made of a ferromagnetic conductor having uniaxial magnetic anisotropy, can change the magnetization direction, and can store the magnetization direction as information. For example, whether the magnetization direction is “parallel” or “antiparallel” with respect to the magnetization direction of the magnetization fixed layer 103 is stored as information of “0” and “1”, respectively.

MTJ素子100からの情報の読み出しには、上述した2つの磁性層の相対的な磁化方向の違いによって、トンネルバリア層104を流れるトンネル電流に対する抵抗値が変化するTMR効果を利用する。この抵抗値は、磁化自由層(記憶層)105の磁化方向と磁化固定層103の磁化方向とが平行であるときに最小値をとり、反平行であるときに最大値をとる。   For reading information from the MTJ element 100, the TMR effect is used in which the resistance value with respect to the tunnel current flowing through the tunnel barrier layer 104 varies depending on the relative magnetization direction difference between the two magnetic layers. This resistance value takes a minimum value when the magnetization direction of the magnetization free layer (memory layer) 105 and the magnetization direction of the magnetization fixed layer 103 are parallel, and takes a maximum value when the magnetization direction is antiparallel.

図7(b)は、MTJ素子100からなるMRAMのメモリセルの構造の一例を示す部分斜視図である。このMRAMでは、行配線(ワード線)と列配線(ビット線)とがマトリックス状に配置され、それらの各交点の位置にMTJ素子が配置され、1ビットに相当するメモリセルが形成されている。   FIG. 7B is a partial perspective view showing an example of the structure of an MRAM memory cell including the MTJ element 100. In this MRAM, row wirings (word lines) and column wirings (bit lines) are arranged in a matrix, MTJ elements are arranged at the positions of their intersections, and memory cells corresponding to 1 bit are formed. .

メモリセルの上部には、書き込み用ビット線121と読み出し用ビット線123とが層間絶縁膜を間に挟んで設けられ、読み出し用ビット線123に接してその下にMTJ素子100が配置され、さらにMTJ素子100の引き出し電極層106の下に絶縁層を挟んで書き込み用ワード線122が配置されている。   A write bit line 121 and a read bit line 123 are provided above the memory cell with an interlayer insulating film interposed therebetween, and the MTJ element 100 is disposed below and in contact with the read bit line 123. A write word line 122 is disposed under the lead electrode layer 106 of the MTJ element 100 with an insulating layer interposed therebetween.

一方、メモリセルの下部には、例えばシリコン基板などの半導体基板111に、読み出し動作時にこのメモリセルを選択するための選択用トランジスタ110として、MOS(Metal Oxide Semiconductor)型電界効果トランジスタが設けられている。トランジスタ110のゲート電極115は、セル間をつないで帯状に形成され、読み出し用ワード線を兼ねている。また、ドレイン領域114は、読み出し用接続プラグ107を介してMTJ素子100の引き出し電極層106に接続されており、ソース領域116は、読み出し用の行配線であるセンス線124に接続されている。   On the other hand, a MOS (Metal Oxide Semiconductor) type field effect transistor is provided under the memory cell as a selection transistor 110 for selecting the memory cell in a semiconductor substrate 111 such as a silicon substrate during a read operation. Yes. The gate electrode 115 of the transistor 110 is formed in a band shape connecting cells, and also serves as a read word line. The drain region 114 is connected to the lead electrode layer 106 of the MTJ element 100 via the read connection plug 107, and the source region 116 is connected to the sense line 124 that is a read row wiring.

このように構成されたMRAMにおいて、所望のメモリセルのMTJ素子100への情報の書き込みでは、そのメモリセルが含まれる列の書き込み用ビット線121と、行の書き込み用ワード線122とに書き込み電流を流し、2つの書き込み用配線の交点の位置にこれらの電流による磁界の合成磁界を発生させる。この合成磁界によって、所望のメモリセルのMTJ素子100の磁化自由層(記憶層)105が、所定の磁化方向、すなわち、磁化固定層103の磁化方向に対して「平行」であるか、または「反平行」である方向に磁化され、情報の書き込みが行われる。   In the MRAM configured as described above, when writing information to the MTJ element 100 of a desired memory cell, a write current is supplied to the write bit line 121 in the column including the memory cell and the write word line 122 in the row. And a combined magnetic field of these magnetic fields is generated at the position of the intersection of the two write wirings. By this synthetic magnetic field, the magnetization free layer (storage layer) 105 of the MTJ element 100 of the desired memory cell is “parallel” to a predetermined magnetization direction, that is, the magnetization direction of the magnetization fixed layer 103, or “ Information is written by being magnetized in the direction of “anti-parallel”.

また、MTJ素子100からの情報の読み出しでは、読み出し用ワード線であるゲート電極115に選択信号を印加して、所望のメモリセルが含まれる行の選択用トランジスタ110をすべてON(導通)状態にする。これに合わせて、所望のメモリセルが含まれる列の読み出し用ビット線123とセンス線124との間に読み出し電圧を印加する。この結果、所望のメモリセルだけが選択され、そのMTJ素子100の磁化自由層(記憶層)105の磁化方向の違いが、TMR効果を利用してMTJ素子100を流れるトンネル電流の大きさの違いとして検知される。トンネル電流はセンス線124から(図示省略した)周辺回路へ取り出されて測定される。   In reading information from the MTJ element 100, a selection signal is applied to the gate electrode 115 which is a read word line, and all the selection transistors 110 in a row including a desired memory cell are turned on (conductive). To do. In accordance with this, a read voltage is applied between the read bit line 123 and the sense line 124 in a column including a desired memory cell. As a result, only a desired memory cell is selected, and the difference in the magnetization direction of the magnetization free layer (storage layer) 105 of the MTJ element 100 is the difference in the magnitude of the tunnel current flowing through the MTJ element 100 using the TMR effect. Detected as The tunnel current is taken out from the sense line 124 to a peripheral circuit (not shown) and measured.

TMR型のMRAMは、ナノ磁性体特有のスピン依存伝導現象に基づく磁気抵抗効果を利用して、情報の読み出しを行う不揮発性メモリであり、磁化方向の反転によって書き換えを行うため、実質的に無限回の書き換えが可能であり、アクセス時間についても高速であることが報告されている(例えば、R. Scheuerlein et al.,ISSCC Digest of Technical Papers,pp.128-129,Feb.2000参照。)。   The TMR type MRAM is a nonvolatile memory that reads information by utilizing the magnetoresistive effect based on the spin-dependent conduction phenomenon peculiar to nanomagnets, and is rewritten by reversal of the magnetization direction, so that it is practically infinite. It is reported that rewriting is possible and the access time is high (see, for example, R. Scheuerlein et al., ISSCC Digest of Technical Papers, pp.128-129, Feb.2000).

しかしながら、電流磁界で書き込みを行うMRAMにおいては、書き換えのために大きな電流(例えば数mA程度)を流す必要があり、消費電力が大きくなる。また、MTJ素子が微細化すると、書き換えに必要な電流が増大する傾向を示す反面、書き込み用配線は細くなるため、書き換えに十分な電流を流すことが難しくなる。また、高集積化が進むと、隣接する別のメモリセルに誤って書き込んでしまう確率が高くなる。さらに、書き込み用配線と読み出し用配線とをそれぞれ必要とするため、構造的に複雑である。これらのために、メモリセルの微細化が困難になる。   However, in an MRAM that performs writing using a current magnetic field, it is necessary to pass a large current (for example, about several mA) for rewriting, resulting in an increase in power consumption. Further, when the MTJ element is miniaturized, the current required for rewriting tends to increase. However, since the write wiring becomes thin, it is difficult to pass a sufficient current for rewriting. Further, as the integration density increases, the probability of erroneously writing to another adjacent memory cell increases. Further, since a writing wiring and a reading wiring are required, the structure is complicated. For these reasons, it is difficult to miniaturize memory cells.

そこで、磁気メモリ素子の磁化自由層(記憶層)への書き込みを異なる原理に基づいて行う素子として、スピン注入による磁化反転を用いる磁気メモリ素子が注目されている。スピン注入とは、磁化方向が固定された強磁性導電層(磁化固定層)に電流を流すことによって、スピンの向きが一方に偏った電子集団からなる電流(スピン偏極電流:spin-polarized current)を作り出し、この電流を磁化方向が固定されていない磁性導電層(磁化自由層)に注入する操作である。このようにすると、スピン偏極電流が磁化自由層を流れる際に、スピン偏極した電子によって、磁化自由層の磁化方向をスピン偏極した方向に一致させようとする力(トルク)が作用する。従って、あるしきい値以上の電流密度のスピン偏極電流を流すことによって、磁化自由層の磁化方向を反転させることができる(例えば、L. Berger,“Emission of spin waves by a magnetic multilayer transversed by a current”, Phys. Rev.B,54. 9353 (1996)、J. C. Slonczewski,“Current-driven excitation of magnetic multilayers”, J. Magn. Magn. Mater.,159 (1996) L1、並びに後述の特許文献1参照。)。   Therefore, attention has been paid to a magnetic memory element using magnetization reversal by spin injection as an element for performing writing to the magnetization free layer (storage layer) of the magnetic memory element based on different principles. Spin injection is a current consisting of a group of electrons whose spin direction is biased in one direction (spin-polarized current) by passing a current through a ferromagnetic conductive layer (magnetization pinned layer) whose magnetization direction is fixed. ) And injecting this current into a magnetic conductive layer (magnetization free layer) whose magnetization direction is not fixed. In this way, when the spin-polarized current flows through the magnetization free layer, a force (torque) is applied to make the magnetization direction of the magnetization free layer coincide with the spin-polarized direction by the spin-polarized electrons. . Therefore, the magnetization direction of the magnetization free layer can be reversed by flowing a spin-polarized current having a current density higher than a certain threshold (for example, L. Berger, “Emission of spin waves by a magnetic multilayer transversed by a current ”, Phys. Rev. B, 54. 9353 (1996), JC Slonczewski,“ Current-driven excitation of magnetic multilayers ”, J. Magn. Magn. Mater., 159 (1996) L1, and the following patent documents 1).

図8は、後述の特許文献2に示されている、スピン注入による磁化反転を利用するMTJ素子(以下、間単にスピン注入磁化反転MTJ素子と呼ぶ。)からなるMRAMのメモリセルの構造を示す部分断面図である。このMRAMでも、行配線(ワード線)と列配線(ビット線)とがマトリックス状に配置され、それらの各交点の位置にMTJ素子が配置され、1ビットに相当するメモリセルが形成されている。   FIG. 8 shows the structure of an MRAM memory cell composed of an MTJ element (hereinafter, simply referred to as “spin injection magnetization reversal MTJ element”) that utilizes magnetization reversal by spin injection, as described in Patent Document 2 described later. It is a fragmentary sectional view. Also in this MRAM, row wirings (word lines) and column wirings (bit lines) are arranged in a matrix, MTJ elements are arranged at the positions of their intersections, and memory cells corresponding to 1 bit are formed. .

図8に示すように、メモリセルの中央部には、下層から順に下地層1、反強磁性層2、固定磁化層3a、中間層3b、参照磁化層3c、トンネルバリア層4、磁化自由層(記憶層)5、およびキャップ層6の各層が積層され、スピン注入磁化反転MTJ素子200が形成されている。   As shown in FIG. 8, at the center of the memory cell, in order from the lower layer, the underlayer 1, the antiferromagnetic layer 2, the fixed magnetization layer 3a, the intermediate layer 3b, the reference magnetization layer 3c, the tunnel barrier layer 4, and the magnetization free layer. The (memory layer) 5 and the cap layer 6 are laminated to form the spin injection magnetization switching MTJ element 200.

固定磁化層3a、中間層3b、および参照磁化層3cは、反強磁性層2の上に積層されており、全体として磁化固定層3を構成している。強磁性導体からなる固定磁化層3aの磁化方向は反強磁性層2によって固定されている。同じく強磁性導体からなる参照磁化層3cは、非磁性層である中間層3bを介して、固定磁化層3aと反強磁性結合を形成している。この結果、参照磁化層3cの磁化方向は、固定磁化層3aの磁化方向の反対方向に固定されている。図8に示した例では、固定磁化層3aの磁化方向は左向きに固定され、参照磁化層3cの磁化方向は右向きに固定されている。このような積層フェリ構造によれば、固定磁化層3aおよび参照磁化層3cの磁化状態が安定に保たれ、これらから漏れ出す磁束が互いに打ち消し合って小さくなる利点がある。   The pinned magnetization layer 3a, the intermediate layer 3b, and the reference magnetization layer 3c are stacked on the antiferromagnetic layer 2, and constitute the magnetization pinned layer 3 as a whole. The magnetization direction of the fixed magnetic layer 3 a made of a ferromagnetic conductor is fixed by the antiferromagnetic layer 2. Similarly, the reference magnetization layer 3c made of a ferromagnetic conductor forms antiferromagnetic coupling with the fixed magnetization layer 3a via the intermediate layer 3b which is a nonmagnetic layer. As a result, the magnetization direction of the reference magnetization layer 3c is fixed in a direction opposite to the magnetization direction of the fixed magnetization layer 3a. In the example shown in FIG. 8, the magnetization direction of the fixed magnetization layer 3a is fixed to the left, and the magnetization direction of the reference magnetization layer 3c is fixed to the right. According to such a laminated ferrimagnetic structure, there is an advantage that the magnetization states of the fixed magnetization layer 3a and the reference magnetization layer 3c are kept stable, and magnetic fluxes leaking from these cancel each other and become smaller.

磁化自由層(記憶層)5は、一軸磁気異方性を有する強磁性導体からなり、磁化方向の変化が可能で、磁化方向を情報として記憶することができる。例えば、その磁化方向が、参照磁化層3cの磁化方向に対して「平行」であるか、「反平行」であるかを、それぞれ「0」および「1」の情報として記憶する。参照磁化層3cと磁化自由層(記憶層)5との間には、非磁性の薄い絶縁層であるトンネルバリア層4が設けられており、参照磁化層3cと磁化自由層(記憶層)5とによって磁気トンネル接合(MTJ)が形成されている。   The magnetization free layer (memory layer) 5 is made of a ferromagnetic conductor having uniaxial magnetic anisotropy, can change the magnetization direction, and can store the magnetization direction as information. For example, whether the magnetization direction is “parallel” or “antiparallel” with respect to the magnetization direction of the reference magnetization layer 3 c is stored as information of “0” and “1”, respectively. A tunnel barrier layer 4 which is a nonmagnetic thin insulating layer is provided between the reference magnetization layer 3c and the magnetization free layer (storage layer) 5, and the reference magnetization layer 3c and the magnetization free layer (storage layer) 5 are provided. Thus, a magnetic tunnel junction (MTJ) is formed.

一方、メモリセルの下部には、シリコン基板などの半導体基板51の素子分離されたウエル領域51aに、このメモリセルを選択するための選択用トランジスタ50として、ゲート絶縁膜52、ドレイン電極53、ドレイン領域54、ゲート電極55、ソース領域56、およびソース電極57よりなるMOS型電界効果トランジスタが設けられている。   On the other hand, in the lower part of the memory cell, a gate insulating film 52, a drain electrode 53, a drain as a selection transistor 50 for selecting the memory cell are formed in a well region 51a of the semiconductor substrate 51 such as a silicon substrate. A MOS field effect transistor including a region 54, a gate electrode 55, a source region 56, and a source electrode 57 is provided.

選択用トランジスタ50のゲート電極55は、セル間をつないで帯状に形成され、第1の行配線であるワード線を兼ねている。また、ソース電極57は第2の行配線である行配線62に接続されており、ドレイン電極53は、接続プラグ7を介してMTJ素子200の下地層1に接続されている。一方、MTJ素子200のキャップ層6は、メモリセルの上部に設けられた列配線であるビット線61に接続されている。   The gate electrode 55 of the selection transistor 50 is formed in a band shape connecting cells, and also serves as a word line which is a first row wiring. The source electrode 57 is connected to the row wiring 62 as the second row wiring, and the drain electrode 53 is connected to the underlying layer 1 of the MTJ element 200 via the connection plug 7. On the other hand, the cap layer 6 of the MTJ element 200 is connected to a bit line 61 which is a column wiring provided on the upper part of the memory cell.

スピン注入磁化反転MTJ素子の特徴として、所望のメモリセルのMTJ素子200への情報の書き込みでは、ワード線であるゲート電極55に選択信号を印加して、所望のメモリセルが含まれる行の選択用トランジスタ50をすべてON(導通)状態にする。これに合わせて、所望のメモリセルが含まれる列のビット線61と行配線62との間に書き込み電圧を印加する。この結果、所望のメモリセルが選択され、そのMTJ素子200の磁化自由層(記憶層)5をスピン偏極電流が貫流し、磁化自由層(記憶層)5が所定の磁化方向に磁化され、情報の書き込みが行われる。   As a feature of the spin injection magnetization reversal MTJ element, in writing information to the MTJ element 200 of a desired memory cell, a selection signal is applied to the gate electrode 55 which is a word line to select a row including the desired memory cell. All transistors 50 are turned on (conductive). In accordance with this, a write voltage is applied between the bit line 61 and the row wiring 62 in the column including the desired memory cell. As a result, a desired memory cell is selected, a spin-polarized current flows through the magnetization free layer (memory layer) 5 of the MTJ element 200, and the magnetization free layer (memory layer) 5 is magnetized in a predetermined magnetization direction. Information is written.

この際、初めMTJ素子200の参照磁化層3cの磁化方向が、磁化自由層(記憶層)5の磁化方向に対して「反平行」である状態にあり、これを書き込みによって磁化自由層(記憶層)5の磁化方向が参照磁化層3cの磁化方向に対して「平行」である状態に反転させる場合には、図8に示すように、しきい値以上の電流密度の書き込み電流を磁化自由層(記憶層)5から参照磁化層3cへ流すようにする。これによって、実体としては、しきい値以上の電子密度のスピン偏極電子流が参照磁化層3cから磁化自由層(記憶層)5へ流れ、磁化反転が起こる。以下、この点について説明する。   At this time, the magnetization direction of the reference magnetization layer 3 c of the MTJ element 200 is initially in an “anti-parallel” state with respect to the magnetization direction of the magnetization free layer (memory layer) 5. When the magnetization direction of the (layer) 5 is reversed to a state of being “parallel” to the magnetization direction of the reference magnetization layer 3c, a write current having a current density equal to or higher than the threshold is freed of magnetization as shown in FIG. It is made to flow from the layer (storage layer) 5 to the reference magnetization layer 3c. As a result, as a matter of fact, a spin-polarized electron flow having an electron density equal to or higher than the threshold value flows from the reference magnetization layer 3c to the magnetization free layer (memory layer) 5, and magnetization reversal occurs. Hereinafter, this point will be described.

電子はスピン自由度に基づく内部運動状態として2つの運動状態のいずれかをとることができ、通常、これを上向きスピンおよび下向きスピンと呼んで区別している。電子はスピンの向きに対応したスピン角運動量と磁気モーメントをもち、スピンの向きが互いに異なる2つの電子では、スピン角運動量および磁気モーメントの絶対値は等しく、向きは逆向きである。従って、スピンの向きが互いに異なる2つの電子の磁気モーメントは、互いに打ち消し合う。   An electron can take one of two motion states as an internal motion state based on the degree of freedom of spin, and is usually distinguished by calling it an upward spin and a downward spin. Electrons have a spin angular momentum and a magnetic moment corresponding to the direction of spin, and two electrons having different spin directions have the same absolute value of spin angular momentum and magnetic moment, but opposite directions. Therefore, the magnetic moments of two electrons having different spin directions cancel each other.

非磁性体では、物質中に上向きスピンをもつ電子と下向きスピンをもつ電子とが同数含まれるため、物質全体としては、個々の電子がもつ磁気モーメントは互いに打ち消し合い、磁性がない。一方、強磁性体では、物質中に含まれる上向きスピンをもつ電子と下向きスピンをもつ電子との数が異なるため、物質全体として、個々の電子がもつ磁気モーメントが完全には打ち消し合わず、その結果、磁性をもつ。このような強磁性体中に電流を流すと、電流を構成する電子は物質中の電子と相互作用するため、強磁性体中の電子と同様に、上向きスピンをもつ電子と下向きスピンをもつ電子との数に差が生じる。これがスピン偏極電子流であり、これによる電流がスピン偏極電流である。   In a non-magnetic material, the same number of electrons having upward spins and electrons having downward spins are included in the material, so that the magnetic moments of the individual electrons cancel each other and there is no magnetism in the entire material. On the other hand, in ferromagnets, the number of electrons with upward spins and electrons with downward spins contained in a material is different, so the magnetic moment of individual electrons as a whole does not completely cancel out. As a result, it has magnetism. When a current is passed through such a ferromagnet, the electrons that make up the current interact with the electrons in the material. Therefore, as with the electrons in the ferromagnet, electrons with upward spins and electrons with downward spins are used. There is a difference in the number. This is the spin-polarized electron current, and the current resulting from this is the spin-polarized current.

さて上記の書き込み操作で、強磁性層である参照磁化層3cを流れることによってスピン偏極した電子流はトンネルバリア層4へ流入する。もし仮にトンネルバリア層4の厚さが十分に厚ければ、非磁性体であるトンネルバリア層4を流れる間に、トンネルバリア層4中の電子との相互作用によって、電子流中の上向きスピンをもつ電子と下向きスピンをもつ電子との数は同数になり、電子流のスピン偏極は解消される。しかし、実際にはトンネルバリア層4の厚さは薄いので、スピン偏極した電子流はスピン偏極が解消される前にトンネルバリア層4を通過して、磁化自由層(記憶層)5へ流入する。   Now, in the above write operation, the spin-polarized electron flow by flowing through the reference magnetic layer 3 c that is a ferromagnetic layer flows into the tunnel barrier layer 4. If the thickness of the tunnel barrier layer 4 is sufficiently thick, an upward spin in the electron current is generated by the interaction with the electrons in the tunnel barrier layer 4 while flowing through the tunnel barrier layer 4 which is a non-magnetic material. The number of electrons having the same number of electrons as those having downward spins is the same, and the spin polarization of the electron current is eliminated. However, since the thickness of the tunnel barrier layer 4 is actually thin, the spin-polarized electron current passes through the tunnel barrier layer 4 before the spin polarization is eliminated, and enters the magnetization free layer (memory layer) 5. Inflow.

磁化自由層(記憶層)5へ流入したスピン偏極電子流は、磁化自由層(記憶層)5中の電子と相互作用する。この際、磁化自由層(記憶層)5の磁化方向は参照磁化層3cの磁化方向と逆向きであるため、磁化自由層(記憶層)5中の電子は、電子流中の電子をこれまでとは反対の方向にスピン偏極させようとする。このため、電子流中の一部の電子のスピンの向きは、磁化自由層(記憶層)5中の電子との相互作用によって反転させられるが、その反作用として、磁化自由層(記憶層)5中の電子は、電子流中の電子からスピンを反転させようとする力、いわゆるスピントルクを受ける。この際、系全体としての角運動量は保存されるので、スピンを反転させた電子流中の電子の個数に比例したスピントルクが磁化自由層(記憶層)5中の電子に作用する。   The spin-polarized electron current flowing into the magnetization free layer (memory layer) 5 interacts with electrons in the magnetization free layer (memory layer) 5. At this time, since the magnetization direction of the magnetization free layer (storage layer) 5 is opposite to the magnetization direction of the reference magnetization layer 3c, the electrons in the magnetization free layer (storage layer) 5 are the electrons in the electron current until now. Tries to spin-polarize in the opposite direction. For this reason, the spin direction of some of the electrons in the electron flow is reversed by the interaction with the electrons in the magnetization free layer (memory layer) 5. As a reaction, the magnetization free layer (memory layer) 5 is reversed. The electrons inside receive a so-called spin torque from the electrons in the electron stream to reverse the spin. At this time, since the angular momentum of the entire system is preserved, a spin torque proportional to the number of electrons in the electron flow whose spin has been reversed acts on the electrons in the magnetization free layer (memory layer) 5.

電子流の密度が小さく、単位時間に磁化自由層(記憶層)5を通過する電子の数が少ない場合には、スピンを反転させる電子流中の電子の個数が少ないので、その反作用で磁化自由層(記憶層)5中の電子が受けるスピントルクも小さい。従って、磁化自由層(記憶層)5の磁化方向の反転は起こらない。この状態は、MTJ素子200からの情報の読み出しの際の動作状態に他ならない。   When the electron current density is small and the number of electrons passing through the magnetization free layer (memory layer) 5 per unit time is small, the number of electrons in the electron current that reverses the spin is small, and the reaction causes free magnetization. The spin torque received by the electrons in the layer (memory layer) 5 is also small. Therefore, the magnetization direction of the magnetization free layer (storage layer) 5 is not reversed. This state is nothing but an operating state when reading information from the MTJ element 200.

一方、電子流の密度が大きくなると、単位時間にスピンを反転させる電子流中の電子の個数が多くなり、その反作用として磁化自由層(記憶層)5中の電子が受けるスピントルクも大きくなる。従って、電流密度があるしきい値を超えると、磁化自由層(記憶層)5中の各磁性体微粒子の磁化方向は一斉に変化し始め、その一軸異方性により180度回転したところで安定状態に達する。すなわち、「反平行」状態から「平行」状態への反転が起こる。   On the other hand, as the electron current density increases, the number of electrons in the electron current that reverses the spin per unit time increases, and the spin torque received by the electrons in the magnetization free layer (memory layer) 5 increases as a reaction. Therefore, when the current density exceeds a certain threshold value, the magnetization direction of each magnetic fine particle in the magnetization free layer (storage layer) 5 starts to change all at once, and is stable when rotated 180 degrees by its uniaxial anisotropy. To reach. That is, inversion from the “antiparallel” state to the “parallel” state occurs.

以上の説明は、磁化自由層(記憶層)5の磁化方向に対して「反平行」状態にある参照磁化層3cの磁化方向を「平行」状態に反転させる場合である。逆に、磁化自由層(記憶層)5の磁化方向に対して「平行」状態にある参照磁化層3cの磁化方向を「反平行」状態に反転させる場合には、しきい値以上の電流密度の書き込み電流を、上記の逆方向へ、すなわち参照磁化層3cから磁化自由層(記憶層)5へ流すようにする。実体としては、しきい値以上の電子密度の電子流が磁化自由層(記憶層)5から参照磁化層3cへ流れるようにする。   The above description is a case where the magnetization direction of the reference magnetization layer 3 c in the “antiparallel” state with respect to the magnetization direction of the magnetization free layer (storage layer) 5 is reversed to the “parallel” state. On the other hand, when the magnetization direction of the reference magnetization layer 3 c in the “parallel” state to the magnetization direction of the magnetization free layer (storage layer) 5 is reversed to the “anti-parallel” state, the current density equal to or higher than the threshold value. Is written in the reverse direction, that is, from the reference magnetic layer 3 c to the magnetization free layer (storage layer) 5. As an entity, an electron flow having an electron density equal to or higher than a threshold value is allowed to flow from the magnetization free layer (storage layer) 5 to the reference magnetization layer 3c.

このようにすると、偏極していない電子流として磁化自由層(記憶層)5へ流入した電子流は、参照磁化層3cからは参照磁化層3cの磁化方向にスピン偏極した電子流となって流出する。この際、系全体としての角運動量は保存され、かつ、参照磁化層3cの磁化方向は固定されているので、参照磁化層3cの磁化方向にスピンを反転させた電子流中の電子の個数に比例したスピントルクが、反作用として、磁化自由層(記憶層)5中の電子に、参照磁化層3cの磁化方向と反対の方向へスピンを反転させるように作用する。   In this way, the electron flow that flows into the magnetization free layer (storage layer) 5 as an unpolarized electron flow becomes a spin-polarized electron flow from the reference magnetization layer 3c in the magnetization direction of the reference magnetization layer 3c. Leaked. At this time, since the angular momentum of the entire system is preserved and the magnetization direction of the reference magnetization layer 3c is fixed, the number of electrons in the electron current in which the spin is reversed in the magnetization direction of the reference magnetization layer 3c is set. As a reaction, the proportional spin torque acts on the electrons in the magnetization free layer (storage layer) 5 so as to reverse the spin in the direction opposite to the magnetization direction of the reference magnetization layer 3c.

この場合も、電子流の密度が小さく、単位時間に磁化自由層(記憶層)5を通過する電子の数が少ない場合には、スピンを反転させる電子流中の電子の個数が少ないので、磁化自由層(記憶層)5の磁化方向の反転は起こらない。しかし、電子流の密度が大きくなると、単位時間にスピンを反転させる電子流中の電子の個数が多くなり、その反作用として磁化自由層(記憶層)5中の電子が受けるスピントルクも大きくなる。従って、電流密度があるしきい値を超えると、磁化自由層(記憶層)5中の各磁性体微粒子の磁化方向は一斉に変化し始め、その一軸異方性により180度回転したところで安定状態に達する。すなわち、「平行」状態から「反平行」状態への反転が起こる。ただし、「平行」状態から「反平行」状態へ反転させる場合に必要な電流量は、「反平行」状態から「平行」状態へと反転させる場合よりも多くなる。   Also in this case, when the electron current density is small and the number of electrons passing through the magnetization free layer (storage layer) 5 per unit time is small, the number of electrons in the electron current for reversing the spin is small. The reversal of the magnetization direction of the free layer (memory layer) 5 does not occur. However, as the density of the electron current increases, the number of electrons in the electron current that reverses the spin per unit time increases, and as a reaction, the spin torque received by the electrons in the magnetization free layer (memory layer) 5 also increases. Therefore, when the current density exceeds a certain threshold value, the magnetization direction of each magnetic fine particle in the magnetization free layer (storage layer) 5 starts to change all at once, and is stable when rotated 180 degrees by its uniaxial anisotropy. To reach. That is, the inversion from the “parallel” state to the “anti-parallel” state occurs. However, the amount of current required for reversing from the “parallel” state to the “antiparallel” state is greater than when reversing from the “antiparallel” state to the “parallel” state.

以上のように、磁化自由層(記憶層)5への情報の書き込みは、磁化自由層(記憶層)5から参照磁化層3cへ、またはこの逆方向へ、それぞれの方向に対応するしきい値以上の電流密度の電流を流すことによって行われる。   As described above, information is written to the magnetization free layer (storage layer) 5 from the magnetization free layer (storage layer) 5 to the reference magnetization layer 3c, or in the opposite direction, threshold values corresponding to the respective directions. This is done by flowing a current having the above current density.

また、MTJ素子200からの情報の読み出しは、MTJ素子100と同様、TMR効果を用いて行われる。読み出しと書き込みは、いずれも、磁化自由層(記憶層)5中の電子と、この層を貫流するスピン偏極電流との相互作用を利用しており、読み出しはスピン偏極電流の電流密度が小さい領域で行われ、書き込みはスピン偏極電流の電流密度がしきい値を超えて大きい領域で行われる。   Further, reading of information from the MTJ element 200 is performed using the TMR effect, as in the MTJ element 100. Both reading and writing use the interaction between the electrons in the magnetization free layer (memory layer) 5 and the spin-polarized current that flows through this layer, and the current density of the spin-polarized current is read. Writing is performed in a small region, and writing is performed in a region where the current density of the spin-polarized current exceeds the threshold value.

スピン注入磁化反転MTJ素子200を用いるMRAMでは、磁化反転のために必要な電流は磁性体の微細化によって減少するので、電流磁場によって書き込みを行うMTJ素子100を用いるMRAMに比べて、微細化、高集積化に有利である。また、選択用トランジスタ50で選択したメモリセルに情報を書き込むので、電流磁場による書き込みと異なり、隣接する別のセルに誤って書き込んでしまう恐れがない。また、磁場書き込みに比べて磁性体の形状の影響が小さいので、製造時の歩留まりを高めやすい。さらには、書き込みと読み出しとで大部分の配線を共用できるので、構造が簡素化するなどの利点がある。   In the MRAM using the spin injection magnetization reversal MTJ element 200, the current required for the magnetization reversal is reduced by the miniaturization of the magnetic material. Therefore, the MRAM is smaller than the MRAM using the MTJ element 100 that performs writing by the current magnetic field. It is advantageous for high integration. In addition, since information is written to the memory cell selected by the selection transistor 50, unlike the writing by the current magnetic field, there is no possibility of erroneously writing to another adjacent cell. In addition, since the influence of the shape of the magnetic material is small compared to the magnetic field writing, it is easy to increase the yield during manufacturing. Furthermore, since most of wiring can be shared for writing and reading, there is an advantage that the structure is simplified.

しかしながら、選択用トランジスタ50を用いて書き込みを行うことから、次の問題点が生じる。すなわち、書き込み時にMTJ素子200に流すことのできる電流は、選択用トランジスタ50に流すことができる電流(トランジスタの飽和電流)に制限される。一般に、トランジスタのゲート幅やゲート長が小さくなるに従い、トランジスタの飽和電流も小さくなる。このため、微細化、高密度化のために選択用トランジスタ50を最小寸法で形成しようとすると、スピン注入の効率を改善して、書き込み電流の電流密度のしきい値をできる限り減少させる必要がある。   However, since writing is performed using the selection transistor 50, the following problems occur. That is, the current that can be passed through the MTJ element 200 during writing is limited to the current that can be passed through the selection transistor 50 (transistor saturation current). In general, as the gate width or gate length of a transistor decreases, the saturation current of the transistor also decreases. For this reason, if the selection transistor 50 is to be formed with the minimum dimensions for miniaturization and higher density, it is necessary to improve the efficiency of spin injection and reduce the current density threshold of the write current as much as possible. is there.

また、トンネルバリア層4が絶縁破壊することを防ぐためにも、書き込み電流密度しきい値を減少させる必要がある。また、MRAMの消費電力を減少させるためにも、書き込み電流密度しきい値をできる限り減少させる必要がある。   In order to prevent the tunnel barrier layer 4 from being broken down, it is necessary to reduce the write current density threshold. In order to reduce the power consumption of the MRAM, it is necessary to reduce the write current density threshold as much as possible.

磁化自由層(記憶層)5を構成する磁性体の磁化の時間変化は、LLG(Landau-Lifshitz-Gilbert)方程式と呼ばれる、下記の式(1)および式(2)の運動方程式によって表される(L. Torres et al.,“Micromagnetic computations of spin polarized current-driven magnetization process”, J. Magn. Magn. Mater., 286, (2005))。   The time change of the magnetization of the magnetic material constituting the magnetization free layer (memory layer) 5 is expressed by the following equation (1) and equation (2) called LLG (Landau-Lifshitz-Gilbert) equation. (L. Torres et al., “Micromagnetic computations of spin polarized current-driven magnetization process”, J. Magn. Magn. Mater., 286, (2005)).

式(1):
Formula (1):

式(2):
Formula (2):

ただし、式(1)および(2)において、記号の上部に付された矢印は、矢印が付された物理量がベクトルであることを示す(以下、同様。)。また、mは単位磁化ベクトル、madjは隣接した単位磁化ベクトル、γはジャイロ定数、αは磁化自由層(記憶層)5の材料特性であるダンピング定数、Tはトルクベクトル、MSは磁化自由層(記憶層)5の飽和磁化、Heffは有効磁界、Hthは熱揺らぎを表すランジュバン磁界、μBはボーア磁子、gは結合定数、eは電荷素量、Jはスピン偏極電流の電流密度、tFは磁化自由層(記憶層)5の膜厚である。 However, in the equations (1) and (2), an arrow attached to the top of the symbol indicates that the physical quantity to which the arrow is attached is a vector (the same applies hereinafter). M is a unit magnetization vector, m adj is an adjacent unit magnetization vector, γ is a gyro constant, α is a damping constant that is a material characteristic of the magnetization free layer (storage layer) 5, T is a torque vector, and M S is a magnetization free Saturation magnetization of the layer (memory layer) 5, H eff is an effective magnetic field, H th is a Langevin magnetic field indicating thermal fluctuation, μ B is a Bohr magneton, g is a coupling constant, e is an elementary charge, J is a spin-polarized current density of current, t F is the thickness of the magnetization free layer (storing layer) 5.

式(1)の右辺の括弧[ ]内の第1項は磁化回転を駆動するトルクとして作用し、[ ]内の第2項は磁化回転を制動するトルクとして作用する。ダンピング定数αが大きいほど[ ]内の第2項の制動効果は大きくなる。また、式(2)の右辺の第1項および第2項は、それぞれ、磁界に起因するトルク、および、スピン偏極電流によるスピントランスファ効果に起因するスピントルクである。   The first term in parentheses [] on the right side of the equation (1) acts as a torque for driving the magnetization rotation, and the second term in [] acts as a torque for braking the magnetization rotation. The larger the damping constant α, the greater the braking effect of the second term in []. In addition, the first term and the second term on the right side of the formula (2) are the torque caused by the magnetic field and the spin torque caused by the spin transfer effect caused by the spin-polarized current, respectively.

また、スピン注入磁化反転が起こる書き込み電流密度のしきい値Jc0は、次の式(3)で表されることが理論的に導かれている(R. H. Koch, J. A. Katine, and J. Z. Sun, “Time-resolved reversal of spin-transfer switching in a nanomagnet”, Phy. Rev. Lett., 92, 27 February 2004)。 Further, it is theoretically derived that the threshold value J c0 of the write current density at which the spin injection magnetization reversal occurs is expressed by the following equation (3) (RH Koch, JA Katine, and JZ Sun, “ Time-resolved reversal of spin-transfer switching in a nanomagnet ”, Phy. Rev. Lett., 92, 27 February 2004).

式(3):
ただし、式(3)において、Hkは磁化自由層(記憶層)5の一軸異方性磁界であり、e、α、MS、tF、gは式(1)および(2)と同じである。
Formula (3):
However, in Formula (3), Hk is a uniaxial anisotropic magnetic field of the magnetization free layer (memory layer) 5, and e, α, M S , t F , and g are the same as Formulas (1) and (2). It is.

式(3)のように、書き込み電流密度しきい値Jc0は、磁化自由層(記憶層)5のダンピング定数α、飽和磁化MS、膜厚tFなどに依存する。スピン注入磁化反転MTJ素子200からなるMRAMの実用化の可否は、磁化自由層(記憶層)5における記録磁化の熱的な安定性を保ったまま、ダンピング定数αや飽和磁化MSや膜厚tFなどを減少させ、書き込み電流密度しきい値Jc0をどこまで減少させることができるかにかかっている。 As shown in the equation (3), the write current density threshold value J c0 depends on the damping constant α, the saturation magnetization M S , the film thickness t F and the like of the magnetization free layer (storage layer) 5. Whether or not the MRAM comprising the spin injection magnetization reversal MTJ element 200 can be put into practical use depends on the damping constant α, the saturation magnetization M S and the film thickness while maintaining the thermal stability of the recording magnetization in the magnetization free layer (memory layer) 5. It depends on how much the write current density threshold J c0 can be reduced by reducing t F and the like.

特開2003−17782号公報(第6及び7頁、図2)Japanese Patent Laid-Open No. 2003-17782 (pages 6 and 7, FIG. 2) 特開2006−295000号公報(第9−11頁、図2)Japanese Patent Laying-Open No. 2006-295000 (page 9-11, FIG. 2)

しかしながら、本発明者が、磁化自由層(記憶層)5のダンピング定数αや飽和磁化MSや膜厚tFなどを減少させ、書き込み電流密度のしきい値Jc0が小さいスピン注入磁化反転MTJ素子200からなるMRAM(図8参照。)を作製したところ、書き込みの際の誤り発生頻度が、磁化自由層(記憶層)5における記録磁化の熱揺らぎから予想される大きさよりもはるかに大きく、動作が不確実なMRAMが得られた。 However, the present inventor reduced the damping constant α, the saturation magnetization M S , the film thickness t F, etc. of the magnetization free layer (memory layer) 5 to reduce the write current density threshold J c0 and the spin injection magnetization reversal MTJ. When an MRAM composed of the element 200 (see FIG. 8) was manufactured, the frequency of error occurrence during writing was much larger than expected from the thermal fluctuation of the recording magnetization in the magnetization free layer (storage layer) 5, An MRAM with uncertain operation was obtained.

図9は、本発明者が上記のMRAMに対し、書き込みテストを行った結果の一例を示すグラフである。図9(a)に示すテストでは、初期状態が高抵抗状態(「反平行」状態)にあるMTJ素子200に対し、パルス幅10nsの書き込み電流を流し、低抵抗状態(「平行」状態)に反転させた。テストは、電流パルスの大きさを少しずつ増大させながら、複数回行った。図9(a)では、縦軸に電流パルスの大きさをとり、21個のメモリセルについての結果を塗り分けて示している。図中、書き込みが失敗した場合をハッチングを付した長方形で示し、書き込みが成功した場合をハッチングのない長方形で示した。   FIG. 9 is a graph showing an example of a result of a write test performed on the above MRAM by the inventor. In the test shown in FIG. 9A, a write current having a pulse width of 10 ns is applied to the MTJ element 200 whose initial state is in the high resistance state (“anti-parallel” state), and the low resistance state (“parallel” state) is obtained. Inverted. The test was performed several times while gradually increasing the magnitude of the current pulse. In FIG. 9A, the vertical axis indicates the current pulse magnitude, and the results for 21 memory cells are shown separately. In the figure, the case where writing failed is indicated by a hatched rectangle, and the case where writing was successful is indicated by a rectangle without hatching.

図9(a)の下部の領域は、電流パルスの電流密度がしきい値に達しない場合、すべてのメモリセルで書き込みが失敗したことを示しており、これは当然のことである。問題であるのは、電流パルスの電流密度がしきい値よりも大きい図9(a)の上部の領域においても、失敗例が散在していることであり、特に、しきい値よりも十分大きい電流を流しても書き込みが失敗する場合があることである。   The lower region of FIG. 9A indicates that writing has failed in all the memory cells when the current density of the current pulse does not reach the threshold value, which is natural. The problem is that even in the upper region of FIG. 9A where the current density of the current pulse is larger than the threshold value, failure examples are scattered, and in particular, sufficiently larger than the threshold value. The writing may fail even when a current is passed.

図9(b)に示すテストでは、初期状態が低抵抗状態(「平行」状態)にあるMTJ素子10に対し、パルス幅10nsの書き込み電流を上記と逆方向に流し、高抵抗状態(「反平行」状態)に反転させた。テストは、電流パルスの大きさを少しずつ増大させながら、複数回行った。図9(b)では、図9(a)と同様、縦軸に電流パルスの大きさをとり、21個のメモリセルについての結果を塗り分けて示している。   In the test shown in FIG. 9B, a write current having a pulse width of 10 ns is applied to the MTJ element 10 whose initial state is in a low resistance state (“parallel” state) in the opposite direction to the above, Parallel ”state). The test was performed several times while gradually increasing the magnitude of the current pulse. In FIG. 9B, as in FIG. 9A, the vertical axis indicates the current pulse magnitude, and the results for 21 memory cells are shown separately.

図9(a)に示したテストと同様、電流パルスの大きさがしきい値に達しない図9(b)の下部の領域では、すべてのメモリセルで書き込みが失敗しているが、電流パルスの大きさがしきい値よりも大きい図9(b)の上部の領域においても、失敗例が散在している。   As in the test shown in FIG. 9A, in the lower region of FIG. 9B where the magnitude of the current pulse does not reach the threshold value, writing has failed in all the memory cells. Even in the upper region of FIG. 9B where the length is larger than the threshold value, failure examples are scattered.

本発明者は、スピン注入磁気反転MTJ素子200の書き込み過渡特性を詳しく調べた結果、初期状態から目的とする終了状態までの経路が無駄に長い時間を要している例があることを発見した。本明細書では、以下、この現象を「磁化が必要以上に磁化回転する」と記述することにする。そして、しきい値よりも十分大きい電流を流しても書き込みが失敗する場合があるのは、スピントルクが作用した磁化自由層(記憶層)5の磁化が必要以上に磁化回転し、少なくとも一度は反転条件を満足したにもかかわらず、終了状態が反転状態に確定しなくなることにあることをつきとめた。本明細書では、以下、この現象を「磁化が再反転する」と記述することにする。   As a result of examining the write transient characteristics of the spin-injection magnetic reversal MTJ element 200 in detail, the present inventor has found that there is an example in which the path from the initial state to the target end state takes a long time. . In the present specification, hereinafter, this phenomenon is described as “magnetization rotates more than necessary”. The reason why writing may fail even when a current sufficiently larger than the threshold value is passed is that the magnetization of the magnetization free layer (memory layer) 5 on which the spin torque is applied rotates more than necessary, and at least once. It was found that the end state is not determined to be the reverse state even though the reverse condition is satisfied. In the present specification, this phenomenon is hereinafter referred to as “magnetization reinverts”.

「再反転」現象は、書き込みパルス幅を長くしても解消できないなど、書き込み方法の工夫などで解決できない特性をもち、解決が難しい。外部から平行磁界を作用させ、「再反転」したメモリセルの誤りを救済する方法は不可能ではないが、この方法はスピン注入メモリによる低消費電流化を目指す流れに逆行する。   The “re-inversion” phenomenon has characteristics that cannot be solved by devising the writing method, such as being unable to be solved even if the write pulse width is increased, and is difficult to solve. Although it is not impossible to relieve the error of the “re-inverted” memory cell by applying a parallel magnetic field from the outside, this method goes against the flow aimed at reducing the current consumption by the spin injection memory.

なお、αやMSやtFの大きな磁化自由層(記憶層)5でも「再反転」が観測されることがある。この原因は、書き込み過渡状態で渦状磁化状態(vortex)が準安定状態として作用した結果、終了状態が不定になるためである。以下、この現象について説明する。 Note that “re-inversion” may be observed even in the magnetization free layer (storage layer) 5 having a large α, M S, or t F. This is because the end state becomes indefinite as a result of the vortex magnetization state (vortex) acting as a metastable state in the write transient state. Hereinafter, this phenomenon will be described.

磁化自由層(記憶層)5では、一定の方向(参照磁化層3cの磁化方向に対して「平行」または「反平行」である磁化方向)に一様に磁化した安定な磁化状態に加えて、多様な渦状磁化状態(vortex)が準安定状態として存在する可能性がある。渦状磁化状態は反磁界や電流磁界によって誘導される性質があり、反磁界はMS×tFに比例して増加し、電流磁界は反転電流密度を決めるαに比例して増加する。このため、αやMSやtFが大きくなると、渦状磁化状態がエネルギー的により安定になり、現れやすくなる。 In the magnetization free layer (memory layer) 5, in addition to a stable magnetization state uniformly magnetized in a certain direction (a magnetization direction that is “parallel” or “anti-parallel” to the magnetization direction of the reference magnetization layer 3 c). Various vortex magnetization states (vortex) may exist as metastable states. The vortex magnetization state has a property induced by a demagnetizing field or a current magnetic field, the demagnetizing field increases in proportion to M S × t F , and the current magnetic field increases in proportion to α which determines the reversal current density. For this reason, when α, M S, or t F increases, the vortex magnetization state becomes more energetically stable and tends to appear.

この準安定な渦状磁化状態が磁化反転過程の経路上に存在すると、磁化反転過程の途中で磁化自由層(記憶層)5がこの準安定状態にトラップされる場合が生じる。この状態では、磁化自由層(記憶層)5の抵抗値は、「平行」状態の低抵抗と「反平行」状態の高抵抗との中間の値をとる。書き込みパルス終了後、この準安定状態から安定な磁化状態に遷移する際に、終了状態が「平行」状態になるか、「反平行」状態になるかは不定になる。このような磁化挙動が書き込み電流密度しきい値以上で起こると、これは「再反転」として認識される。   If this metastable vortex magnetization state exists on the path of the magnetization reversal process, the magnetization free layer (memory layer) 5 may be trapped in this metastable state during the magnetization reversal process. In this state, the resistance value of the magnetization free layer (storage layer) 5 takes an intermediate value between the low resistance in the “parallel” state and the high resistance in the “antiparallel” state. When the transition from the metastable state to the stable magnetization state is completed after the end of the write pulse, it is undefined whether the end state becomes the “parallel” state or the “antiparallel” state. If such magnetization behavior occurs above the write current density threshold, this is recognized as “re-inversion”.

以上のように、書き込み電流密度のしきい値Jc0を定めるαやMSやtFに関して、これらの値が小さい場合と大きい場合とのそれぞれに、「再反転」を引き起こす、物理的に異なる要因が存在する。このため、「再反転」を起こさず、書き込みの失敗が少ないスピン注入磁化反転MTJ素子を作製するための、αやMSやtFの最適条件を定めることが極めて困難になっている。 As described above, α, M S, and t F that define the threshold value J c0 of the write current density are physically different that cause “re-inversion” when the values are small and large. There are factors. For this reason, it is extremely difficult to determine the optimum conditions of α, MS, and tF for producing a spin-injection magnetization reversal MTJ element that does not cause “re-inversion” and has few write failures.

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、書き込み時の過渡特性を改善して、書き込みの失敗が少なく、書き込み電流密度のしきい値が小さく、高集積化、高速化、および低消費電力化に適したスピン注入磁化反転MTJ素子、及びそのMTJ素子を用いた磁気メモリ装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of such a situation, and an object thereof is to improve the transient characteristics at the time of writing, to reduce writing failure, to reduce the threshold of writing current density, and to achieve high integration. An object of the present invention is to provide a spin injection magnetization switching MTJ element suitable for increasing the speed, reducing the power consumption, and a magnetic memory device using the MTJ element.

本発明者は、鋭意研究を重ねた結果、磁化自由層(記憶層)と磁気的に結合する磁化結合体を適切に設けることにより、上記の課題を解決できることを見出し、本発明を完成させるに到った。   As a result of intensive studies, the present inventor has found that the above problem can be solved by appropriately providing a magnetic coupling body that is magnetically coupled to the magnetization free layer (storage layer), and to complete the present invention. Arrived.

即ち、本発明は、強磁性導体からなり、磁化方向の変化が可能で、磁化方向を情報として記憶する磁化自由層と;強磁性導体からなり、磁化方向が固定されている磁化固定層と;を有し、これらの強磁性導体層を貫流するスピン偏極電流によって前記磁化自由層を所定方向に磁化して情報を書き込み、書き込まれた情報を磁気抵抗効果を利用して読み出すように構成された磁気メモリ素子において、
前記磁化自由層と磁気的に結合し、前記磁化自由層の磁化方向の反転の際に生じる磁 化方向の変動を抑制する磁化結合体が設けられ、
前記スピン偏極電流が前記磁化結合体に流入するのを抑えるように構成されている
ことを特徴とする、磁気メモリ素子に係わるものである。
That is, the present invention is a magnetization free layer made of a ferromagnetic conductor and capable of changing the magnetization direction and storing the magnetization direction as information; a magnetization fixed layer made of a ferromagnetic conductor and having a fixed magnetization direction; The magnetic free layer is magnetized in a predetermined direction by a spin-polarized current that flows through these ferromagnetic conductor layers, information is written, and the written information is read using the magnetoresistive effect. In the magnetic memory element
A magnetic coupling body that is magnetically coupled to the magnetization free layer and suppresses fluctuations in the magnetization direction that occurs when the magnetization direction of the magnetization free layer is reversed;
The present invention relates to a magnetic memory device, characterized in that the spin-polarized current is prevented from flowing into the magnetic coupling body.

また、前記磁気メモリ素子からなるメモリ部を有し、所定の磁気メモリ素子に対して情報の書き込み及び/又は読み出しを行うための配線及び制御回路を備えた、磁気メモリ装置に係わるものである。   Further, the present invention relates to a magnetic memory device having a memory unit composed of the magnetic memory element and provided with wiring and a control circuit for writing and / or reading information with respect to a predetermined magnetic memory element.

本発明の磁気メモリ素子においては、
前記磁化自由層と磁気的に結合し、前記磁化自由層の磁化方向の反転の際に生じる磁 化方向の変動を抑制する磁化結合体が設けられ、
前記スピン偏極電流が前記磁化結合体に流入するのを抑えるように構成されている
ため、前記磁化自由層を反転させる際の過渡特性が、前記スピン偏極電流が直接作用しない前記磁化結合体との磁気的結合によって改善され、前記磁化自由層は、速やか、かつ、確実に反転状態に導かれる。この結果、書き込みの失敗が少なく、書き込み電流密度のしきい値が小さく、高集積化、高速化、および低消費電力化に適したスピン注入磁化反転MTJ素子を実現できる。また、本発明の磁気メモリ装置は、前記磁気メモリ素子からなるメモリ部を有するので、上記と同様の特徴を有する。
In the magnetic memory element of the present invention,
A magnetic coupling body that is magnetically coupled to the magnetization free layer and suppresses fluctuations in the magnetization direction that occurs when the magnetization direction of the magnetization free layer is reversed;
Since the spin-polarized current is configured to be suppressed from flowing into the magnetic coupling body, the transient characteristic when the magnetization free layer is reversed has a magnetic coupling body in which the spin-polarizing current does not act directly. The magnetization free layer is promptly and reliably guided to the inverted state. As a result, a spin injection magnetization reversal MTJ element suitable for high integration, high speed, and low power consumption can be realized with few write failures and a low write current density threshold. In addition, the magnetic memory device of the present invention has the same characteristics as described above since it has a memory unit composed of the magnetic memory element.

本発明の磁気メモリ素子において、前記磁化自由層と前記磁化結合体との間に引き出し導電層が設けられ、この引き出し導電層が前記スピン偏極電流を供給する制御回路に電気的に接続されているのがよい。   In the magnetic memory element of the present invention, an extraction conductive layer is provided between the magnetization free layer and the magnetic coupling body, and the extraction conductive layer is electrically connected to a control circuit that supplies the spin-polarized current. It is good to be.

また、バイパス導電部材が前記磁化結合体に対して並列に設けられ、この並列導電路が、前記スピン偏極電流を供給する制御回路と前記磁化自由層との間に電気的に接続され、前記スピン偏極電流が主として前記バイパス導電部材を通って流れるように構成されているのがよい。この際、前記磁化結合体が比抵抗値が100μΩcm以上の磁性体からなり、前記導電部材が比抵抗値100μΩcm以下の導電体からなるのがよい。   Further, a bypass conductive member is provided in parallel to the magnetic coupling body, and the parallel conductive path is electrically connected between the control circuit for supplying the spin-polarized current and the magnetization free layer, It is preferable that the spin-polarized current flow mainly through the bypass conductive member. At this time, the magnetic coupling body is preferably made of a magnetic material having a specific resistance value of 100 μΩcm or more, and the conductive member is preferably made of a conductor having a specific resistance value of 100 μΩcm or less.

また、前記磁化自由層と前記磁化結合体との間に、前記スピン偏極電流のスピン偏極を解消するスピンシンク層と、キャップ層とが、積層されて設けられているのがよい。この際、前記スピンシンク層が、スピン拡散長が短い、オスミウムOs、イリジウムIr、レニウムRe、白金Pt、ルテニウムRu、タングステンW、ニオブNb、およびジルコニウムZrからなる群から選ばれた少なくとも1種の元素を含有するのがよい。また、前記キャップ層が、スピン拡散長が長い、銀Ag、銅Cu、クロムCr、金Au、バナジウムV、チタンTi、ロジウムRh、タリウムTa、ハフニウムHf、コバルトCo、鉄Fe、ニッケルNi、およびマンガンMnからなる群から選ばれた少なくとも1種の元素を含有するのがよい。   In addition, a spin sink layer that eliminates the spin polarization of the spin polarization current and a cap layer may be provided between the free magnetization layer and the magnetic coupling body. At this time, the spin sink layer has at least one selected from the group consisting of osmium Os, iridium Ir, rhenium Re, platinum Pt, ruthenium Ru, tungsten W, niobium Nb, and zirconium Zr having a short spin diffusion length. It is good to contain an element. The cap layer has a long spin diffusion length, such as silver Ag, copper Cu, chromium Cr, gold Au, vanadium V, titanium Ti, rhodium Rh, thallium Ta, hafnium Hf, cobalt Co, iron Fe, nickel Ni, and It is preferable to contain at least one element selected from the group consisting of manganese Mn.

また、前記磁化結合体が、コバルト、ニッケル、鉄、およびマンガンからなる群から選ばれた少なくとも1種の元素を含有するのがよい。   The magnetic coupling body preferably contains at least one element selected from the group consisting of cobalt, nickel, iron, and manganese.

また、前記磁化自由層が、中間層で隔てられ、強磁性結合した多層膜からなり、前記中間層はスピン拡散長が長い、銀、銅、クロム、金、バナジウム、チタン、ロジウム、タリウム、およびハフニウムからなる群から選ばれた少なくとも1種の元素を含有するのがよい。   In addition, the magnetization free layer is formed of a multilayer film that is separated by an intermediate layer and ferromagnetically coupled, and the intermediate layer has a long spin diffusion length, silver, copper, chromium, gold, vanadium, titanium, rhodium, thallium, and It is preferable to contain at least one element selected from the group consisting of hafnium.

また、前記磁化結合体が、中間層で隔てられ、強磁性結合した多層膜からなり、前記中間層はスピン拡散長が長い、銀、銅、クロム、金、バナジウム、チタン、ロジウム、タリウム、およびハフニウムからなる群から選ばれた少なくとも1種の元素を含有するのがよい。   Further, the magnetic coupling body is formed of a multilayer film that is separated by an intermediate layer and is ferromagnetically coupled, and the intermediate layer has a long spin diffusion length, such as silver, copper, chromium, gold, vanadium, titanium, rhodium, thallium, and It is preferable to contain at least one element selected from the group consisting of hafnium.

また、前記磁化固定層と前記磁化自由層とが、薄い絶縁層であるトンネルバリア層を間に挟んで積層され、トンネル磁気抵抗効果素子として構成されており、前記トンネルバリア層を流れるトンネル電流によって情報の書き込み及び読み出しが行われるのがよい。本発明の磁気メモリ素子は、トンネル磁気抵抗効果(TMR)素子に限られるものではないが、例えば、非磁性導電層を間に挟んだ巨大磁気抵抗効果(GMR)素子と比べた場合、磁気抵抗変化率(MR比)を大きくすることができ、かつ、読み出し信号強度を大きくすることができる利点がある。   Further, the magnetization fixed layer and the magnetization free layer are laminated with a tunnel barrier layer, which is a thin insulating layer, sandwiched therebetween, and configured as a tunnel magnetoresistive element, and by a tunnel current flowing through the tunnel barrier layer, Information should be written and read. The magnetic memory element of the present invention is not limited to a tunnel magnetoresistive effect (TMR) element. For example, when compared with a giant magnetoresistive effect (GMR) element having a nonmagnetic conductive layer interposed therebetween, the magnetoresistive element There are advantages that the rate of change (MR ratio) can be increased and the read signal intensity can be increased.

本発明の磁気メモリ装置は、磁気ランダムアクセスメモリとして構成されているのがよい。例えば、第1の行配線と列配線とがマトリックス状に配置され、それらの各交点の位置に前記磁気メモリ素子と、この磁気メモリ素子を選択するための選択用トランジスタとが配置されて、メモリセルが形成されており、
所定のメモリセルに対する情報の書き込み又は読み出しに際して、
このメモリセルが配置されている行の第1の行配線に選択信号が印加されて、その行 のすべての選択用トランジスタがON状態になり、
このメモリセルが配置されている列の列配線に書き込み電圧又は読み出し電圧が印加 され、
以上の結果、このメモリセルの磁気メモリ素子および選択用トランジスタを通って、 列配線と第2の行配線との間に流れる電流によって、書き込み又は読み出しが行われる 、
ように構成されているのがよい。
The magnetic memory device of the present invention is preferably configured as a magnetic random access memory. For example, first row wirings and column wirings are arranged in a matrix, and the magnetic memory elements and selection transistors for selecting the magnetic memory elements are arranged at the positions of their intersections. A cell is formed,
When writing or reading information to or from a predetermined memory cell,
When a selection signal is applied to the first row wiring of the row in which this memory cell is arranged, all the selection transistors in that row are turned on,
A write voltage or a read voltage is applied to the column wiring of the column where the memory cell is arranged,
As a result, writing or reading is performed by the current flowing between the column wiring and the second row wiring through the magnetic memory element and the selection transistor of the memory cell.
It is good to be configured as follows.

次に、本発明の好ましい実施の形態を図面参照下に、より具体的に説明する。   Next, a preferred embodiment of the present invention will be described more specifically with reference to the drawings.

実施の形態1
実施の形態1では、主として、請求項1、2、8、および11に関わる例として、スピン注入磁化反転MTJ素子について説明し、請求項12〜14に関わる例として、このMTJ素子を磁気メモリ素子として用い、MRAMとして構成されている磁気メモリ装置について説明する。
Embodiment 1
In the first embodiment, a spin-injection magnetization reversal MTJ element will be mainly described as an example related to claims 1, 2, 8, and 11, and as an example related to claims 12 to 14, this MTJ element is used as a magnetic memory element. A magnetic memory device configured as an MRAM will be described.

図1は、実施の形態1に基づくスピン注入磁化反転MTJ素子からなるMRAMの、メモリセルの構造を示す部分断面図である。このMRAMでは、行配線(ワード線)と列配線(ビット線)とがマトリックス状に配置され、それらの各交点の位置にスピン注入磁化反転MTJ素子10が配置され、1ビットに相当するメモリセルが形成されている。   FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing the structure of a memory cell of an MRAM composed of a spin transfer magnetization switching MTJ element according to the first embodiment. In this MRAM, row wirings (word lines) and column wirings (bit lines) are arranged in a matrix, and spin injection magnetization reversal MTJ elements 10 are arranged at the positions of their respective intersections, and a memory cell corresponding to 1 bit. Is formed.

図1に示すように、メモリセルの中央部には、下層から順に下地層1、反強磁性層2、固定磁化層3a、中間層3b、参照磁化層3c、トンネルバリア層4,磁化自由層(記憶層)5、キャップ層6、引き出し導電層11、キャップ層12、スピントルクフリー層13、およびキャップ層14の各層が積層されて、MTJ素子10が形成されている。   As shown in FIG. 1, in the central portion of the memory cell, there are an underlayer 1, an antiferromagnetic layer 2, a fixed magnetization layer 3a, an intermediate layer 3b, a reference magnetization layer 3c, a tunnel barrier layer 4, and a magnetization free layer in order from the lower layer. The MTJ element 10 is formed by laminating the (memory layer) 5, the cap layer 6, the lead conductive layer 11, the cap layer 12, the spin torque free layer 13, and the cap layer 14.

固定磁化層3a、中間層3b、および参照磁化層3cは、反強磁性層2の上に積層されており、全体として磁化固定層3を構成している。強磁性導体からなる固定磁化層3aの磁化方向は反強磁性層2によって固定されている。同じく強磁性導体からなる参照磁化層3cは、非磁性層である中間層3bを介して、固定磁化層3aと反強磁性結合を形成している。この結果、参照磁化層3cの磁化方向は、固定磁化層3aの磁化方向の反対方向に固定されている。図1に示した例では、固定磁化層3aの磁化方向は左向きに固定され、参照磁化層3cの磁化方向は右向きに固定されている。   The pinned magnetization layer 3a, the intermediate layer 3b, and the reference magnetization layer 3c are stacked on the antiferromagnetic layer 2, and constitute the magnetization pinned layer 3 as a whole. The magnetization direction of the fixed magnetic layer 3 a made of a ferromagnetic conductor is fixed by the antiferromagnetic layer 2. Similarly, the reference magnetization layer 3c made of a ferromagnetic conductor forms antiferromagnetic coupling with the fixed magnetization layer 3a via the intermediate layer 3b which is a nonmagnetic layer. As a result, the magnetization direction of the reference magnetization layer 3c is fixed in a direction opposite to the magnetization direction of the fixed magnetization layer 3a. In the example shown in FIG. 1, the magnetization direction of the fixed magnetization layer 3a is fixed to the left, and the magnetization direction of the reference magnetization layer 3c is fixed to the right.

磁化固定層3を上記の積層フェリ構造とすると、磁化固定層の外部磁界に対する感度を低下させることができるため、外部磁界による磁化固定層3の磁化変動を抑制して、MTJ素子の安定性を向上させることができる。また、固定磁化層3aおよび参照磁化層3cから漏れ出す磁束が互いに打ち消し合うので、これらの膜厚を調整することによって、磁化固定層3から漏洩する磁束を最少限に抑えることができる。   When the magnetization fixed layer 3 has the above laminated ferrimagnetic structure, the sensitivity of the magnetization fixed layer to the external magnetic field can be reduced. Therefore, the magnetization fluctuation of the magnetization fixed layer 3 due to the external magnetic field is suppressed, and the stability of the MTJ element is improved. Can be improved. Further, since the magnetic flux leaking from the fixed magnetic layer 3a and the reference magnetic layer 3c cancel each other, the magnetic flux leaking from the fixed magnetic layer 3 can be minimized by adjusting these film thicknesses.

磁化自由層(記憶層)5は、一軸磁気異方性を有する強磁性導体からなり、磁化方向の変化が可能で、磁化方向を情報として記憶することができる。例えば、その磁化方向が、参照磁化層3cの磁化方向に対して「平行」であるか、「反平行」であるかを、それぞれ「0」および「1」の情報として記憶する。参照磁化層3cと磁化自由層(記憶層)5との間には、非磁性の薄い絶縁層であるトンネルバリア層4が設けられており、参照磁化層3cと磁化自由層(記憶層)5とによって磁気トンネル接合(MTJ)が形成されている。   The magnetization free layer (memory layer) 5 is made of a ferromagnetic conductor having uniaxial magnetic anisotropy, can change the magnetization direction, and can store the magnetization direction as information. For example, whether the magnetization direction is “parallel” or “antiparallel” with respect to the magnetization direction of the reference magnetization layer 3 c is stored as information of “0” and “1”, respectively. A tunnel barrier layer 4 which is a nonmagnetic thin insulating layer is provided between the reference magnetization layer 3c and the magnetization free layer (storage layer) 5, and the reference magnetization layer 3c and the magnetization free layer (storage layer) 5 are provided. Thus, a magnetic tunnel junction (MTJ) is formed.

実施の形態1に基づくMTJ素子の特徴として、MTJ素子10では磁化自由層(記憶層)5の上部にスピントルクフリー層13が設けられている。スピントルクフリー層13は前記磁化結合体に相当し、磁化自由層(記憶層)5と磁気的に結合し、磁化自由層(記憶層)5の磁化方向の反転の際に生じる過渡的な磁化方向の変動を抑制する。スピントルクフリー層13の下面および上面には、それぞれ、キャップ層12および14が設けられている。   As a feature of the MTJ element based on the first embodiment, the MTJ element 10 is provided with a spin torque free layer 13 above the magnetization free layer (memory layer) 5. The spin torque free layer 13 corresponds to the magnetic coupling body, is magnetically coupled to the magnetization free layer (memory layer) 5, and is a transient magnetization generated when the magnetization direction of the magnetization free layer (memory layer) 5 is reversed. Suppresses direction fluctuations. Cap layers 12 and 14 are provided on the lower surface and the upper surface of the spin torque free layer 13, respectively.

スピントルクフリー層13は磁化自由層(記憶層)5と磁気的な対をなすため、両者の飽和磁化と膜厚との積が著しく異なるのは好ましくない。磁化自由層(記憶層)5の飽和磁化と膜厚との積をMsFで表すと、スピントルクフリー層13の飽和磁化と膜厚との積は0.1MsF〜10MsFの範囲に設定されるのが好ましい。 Since the spin torque free layer 13 forms a magnetic pair with the magnetization free layer (storage layer) 5, it is not preferable that the product of the saturation magnetization and the film thickness of both is remarkably different. When the product of the saturation magnetization and the film thickness of the magnetization free layer (memory layer) 5 is expressed by M s t F , the product of the saturation magnetization and the film thickness of the spin torque free layer 13 is 0.1 M s t F to 10 M s. It is preferably set in the range of t F.

スピントルクフリー層13の磁化がスピントルクによる擾乱を受けない限りにおいて、磁化自由層(記憶層)5の磁化の過渡的な不安定性をスピントルクフリー層13によって除去することは可能である。この意味で単に動作を安定化するだけなら、スピントルクフリー層13と磁化自由層(記憶層)5との磁気結合の大きさにはかなり大きな許容範囲が存在する。   As long as the magnetization of the spin torque free layer 13 is not disturbed by the spin torque, the transient instability of the magnetization of the magnetization free layer (memory layer) 5 can be removed by the spin torque free layer 13. In this sense, if the operation is merely stabilized, there is a considerably large allowable range in the magnitude of the magnetic coupling between the spin torque free layer 13 and the magnetization free layer (storage layer) 5.

しかし、安定化のためとはいえ磁気結合の大きさが適切な範囲を越えた結果、反転電流密度が著しく増大してしまっては、スピン注入磁化反転MTJ素子の実用的な価値を減少させることになる。反転電流密度の著しい増大を招かないためには、磁気結合を介してスピントルクフリー層13が磁化自由層(記憶層)5に対して作用するトルクをT1、電流が磁化自由層(記憶層)5の磁化に作用するスピントルクをT2とすると、電流通電期間中はT1がT2を越えないことが必須条件となる。すなわち、反転電流密度の著しい増大を招かないために磁気結合の大きさに課せられる条件として、下記の式(4)を満足する必要がある。
式(4):
However, if the reversal current density significantly increases as a result of the magnetic coupling exceeding the appropriate range for stabilization, the practical value of the spin injection magnetization reversal MTJ element is reduced. become. In order not to cause a significant increase in the reversal current density, the torque that the spin torque free layer 13 acts on the magnetization free layer (memory layer) 5 through magnetic coupling is T 1 , and the current is the magnetization free layer (memory layer). ) When a spin torque acting on the magnetization of 5 to T 2, during current supply period is the essential condition that T 1 is not exceed T 2. That is, the following formula (4) needs to be satisfied as a condition imposed on the magnitude of the magnetic coupling in order not to cause a significant increase in the reversal current density.
Formula (4):

スピントルクフリー層13と磁化自由層(記憶層)5との磁気結合には、強磁性結合、反強磁性結合、および静磁結合がある。静磁結合は、反強磁性結合と同じく、スピントルクフリー層13の磁化が磁化自由層(記憶層)5の磁化と反平行の向きをとる方向に働く。静磁結合の強さは飽和磁化と膜厚との積に比例するので、前述したような飽和磁化と膜厚との積の条件を満たすものとする。   Magnetic coupling between the spin torque free layer 13 and the magnetization free layer (memory layer) 5 includes ferromagnetic coupling, antiferromagnetic coupling, and magnetostatic coupling. The magnetostatic coupling works in the direction in which the magnetization of the spin torque free layer 13 is antiparallel to the magnetization of the magnetization free layer (memory layer) 5, as with the antiferromagnetic coupling. Since the strength of the magnetostatic coupling is proportional to the product of the saturation magnetization and the film thickness, the condition of the product of the saturation magnetization and the film thickness as described above is satisfied.

次に、強磁性結合あるいは反強磁性結合の最適範囲を求めてみる。強磁性結合あるいは反強磁性結合の大きさをJNとすると、層間交換結合磁界Hinterは下記の式(5)で定義される。
式(5):
ただし、tNは、スピントルクフリー層13と磁化自由層(記憶層)5との間に介在する非磁性層の膜厚である。なお、cgs単位系におけるJNの単位はerg/cm2である。
Next, the optimum range of ferromagnetic coupling or antiferromagnetic coupling is determined. When the magnitude of the ferromagnetic coupling or antiferromagnetic coupling is J N , the interlayer exchange coupling magnetic field H inter is defined by the following equation (5).
Formula (5):
Here, t N is the film thickness of the nonmagnetic layer interposed between the spin torque free layer 13 and the magnetization free layer (memory layer) 5. The unit of J N in the cgs unit system is erg / cm 2 .

式(5)式を用いて磁気結合を介してスピントルクフリー層13が磁化自由層(記憶層)5に対して作用するトルクT1を定義すると下記の式(6)となる。
式(6):
When the torque T 1 that the spin torque free layer 13 acts on the magnetization free layer (memory layer) 5 through magnetic coupling is defined using the equation (5), the following equation (6) is obtained.
Formula (6):

さらに、電流が磁化自由層(記憶層)5磁化に作用するスピントルクT2は式(2)から下記の式(7)と表される。
式(7):
Further, the spin torque T 2 in which the current acts on the magnetization free layer (storage layer) 5 magnetization is expressed by the following equation (7) from the equation (2).
Formula (7):

式(6)および式(7)を式(4)に代入して整理すると、磁気結合に関する最適範囲を表す下記の式(8)が得られる。
式(8):
Substituting Equation (6) and Equation (7) into Equation (4) and rearranging results in the following Equation (8) representing the optimum range for magnetic coupling.
Formula (8):

磁化自由層(記憶層)5の磁化を反転させる電流密度はしきい値以上の値に設定されるが最大でも素子が破壊される電流密度を越えない。素子が耐えられる電流密度Jや結合定数gはトンネルバリア層の材料・膜厚、抵抗値、素子断面積、エッチングその他条件によって変わり、式(8)で定義される最適条件にもかなりの幅が存在する。このためJの具体的な値をもって請求範囲を限定するのは難しいが、経験的には、強磁性結合か反強磁性結合に依らず、|JN|<1erg/cm2であれば実用範囲内と言える。 The current density for reversing the magnetization of the magnetization free layer (storage layer) 5 is set to a value equal to or higher than the threshold value, but does not exceed the current density at which the element is destroyed at the maximum. The current density J and the coupling constant g that the device can withstand vary depending on the material / film thickness of the tunnel barrier layer, resistance value, device cross-sectional area, etching, and other conditions, and there is a considerable range in the optimum condition defined by equation (8). Exists. For this reason, it is difficult to limit the claims with a specific value of J N , but empirically, it is practical if | J N | <1 erg / cm 2 , regardless of ferromagnetic coupling or antiferromagnetic coupling. It can be said that it is within the range.

また、磁化自由層(記憶層)5とスピントルクフリー層13との間には、引き出し導電層11が設けられている。この引き出し導電層11は、MTJ素子10の外部へ延長されて形成され、接続プラグ15を介してビット線(列配線)61に電気的に接続されている。ビット線(列配線)61は、(図示省略した)MTJ素子10にスピン偏極電流を供給する制御回路に接続されている。引き出し導電層11は、列配線の一部として働き、スピン偏極電流がスピントルクフリー層13に流入するのを防止する役割をする。   An extraction conductive layer 11 is provided between the magnetization free layer (memory layer) 5 and the spin torque free layer 13. The lead conductive layer 11 is formed to extend to the outside of the MTJ element 10 and is electrically connected to the bit line (column wiring) 61 via the connection plug 15. The bit line (column wiring) 61 is connected to a control circuit that supplies a spin-polarized current to the MTJ element 10 (not shown). The lead conductive layer 11 functions as a part of the column wiring and serves to prevent the spin polarized current from flowing into the spin torque free layer 13.

以上の構成によって、磁化自由層(記憶層)5を反転させる際の過渡特性が、スピン偏極電流が直接作用しないスピントルクフリー層13との磁気的結合によって改善され、後に図2および図3を用いて説明するように、磁化自由層(記憶層)5は速やか、かつ確実に反転状態に導かれる。   With the above configuration, the transient characteristics when the magnetization free layer (memory layer) 5 is inverted are improved by the magnetic coupling with the spin torque free layer 13 to which the spin polarization current does not act directly. As described with reference to FIG. 1, the magnetization free layer (storage layer) 5 is promptly and reliably guided to the inverted state.

一方、メモリセルの下部には、例えばシリコン基板などの半導体基板51の素子分離されたウエル領域51aに、このメモリセルを選択するための選択用トランジスタ50として、ゲート絶縁膜52、ドレイン電極53、ドレイン領域54、ゲート電極55、ソース領域56、およびソース電極57よりなるMOS型電界効果トランジスタが設けられている。   On the other hand, below the memory cell, a gate insulating film 52, a drain electrode 53, a selection transistor 50 for selecting the memory cell is formed in a well region 51a in which a semiconductor substrate 51 such as a silicon substrate is isolated. A MOS field effect transistor including a drain region 54, a gate electrode 55, a source region 56, and a source electrode 57 is provided.

選択用トランジスタ50のゲート電極55は、セル間をつないで帯状に形成され、前記第1の行配線であるワード線を兼ねている。また、ソース電極57は前記第2の行配線である行配線62に接続されており、ドレイン電極53は、接続プラグ7を介してMTJ素子10の下地層1に接続されている。   A gate electrode 55 of the selection transistor 50 is formed in a band shape connecting cells, and also serves as a word line which is the first row wiring. The source electrode 57 is connected to the row wiring 62 as the second row wiring, and the drain electrode 53 is connected to the underlying layer 1 of the MTJ element 10 through the connection plug 7.

スピントルクフリー層13の構成材料としては、コバルト、ニッケル、鉄、およびマンガンからなる群から選ばれた少なくとも1種の元素を含有する磁性材料を用いることができる。キャップ層12および14は、スピントルクフリー層13の界面での磁気特性の劣化を防止するために積層されるが、最終的な磁化自由層(記憶層)5の安定性や書き込み電流密度しきい値などに問題が生じなければ、省略することもできる。キャップ層12および14の構成材料としては、銀、銅、クロム、金、バナジウム、チタン、ロジウム、タリウム、ハフニウム、コバルト、鉄、ニッケル、マンガン、または、これら元素を含む合金を用いることができる。引き出し導電層11の構成材料としては、ビット線61などと同じ導電性材料を用いることができる。   As a constituent material of the spin torque free layer 13, a magnetic material containing at least one element selected from the group consisting of cobalt, nickel, iron, and manganese can be used. The cap layers 12 and 14 are laminated in order to prevent the deterioration of the magnetic characteristics at the interface of the spin torque free layer 13, but the stability of the final magnetization free layer (memory layer) 5 and the write current density threshold. If there is no problem with the value, etc., it can be omitted. As a constituent material of the cap layers 12 and 14, silver, copper, chromium, gold, vanadium, titanium, rhodium, thallium, hafnium, cobalt, iron, nickel, manganese, or an alloy containing these elements can be used. As a constituent material of the lead conductive layer 11, the same conductive material as that of the bit line 61 and the like can be used.

MTJ素子10のその他の層は、スピン注入磁化反転MTJ素子の従来公知の構成と同様とすることができる。   The other layers of the MTJ element 10 can have the same structure as a conventionally known configuration of the spin injection magnetization switching MTJ element.

磁化自由層(記憶層)5の構成材料としては、特に限定されるものではないが、Fe、Ni、およびCoの1種もしくは2種以上からなる合金材料を用いることができる。さらに、NbやZrなどの遷移金属元素や、ホウ素Bなどの軽元素を含有させることもできる。また、例えばCoFe/NiFe/CoFeの積層膜といったように、材料が異なる複数の膜を(非磁性層を介さずに)直接積層して、磁化自由層(記憶層)5を構成してもよい。   The constituent material of the magnetization free layer (memory layer) 5 is not particularly limited, but an alloy material composed of one or more of Fe, Ni, and Co can be used. Further, transition metal elements such as Nb and Zr, and light elements such as boron B can be contained. Further, the magnetization free layer (memory layer) 5 may be configured by directly laminating a plurality of films of different materials (not via a nonmagnetic layer) such as a CoFe / NiFe / CoFe laminated film. .

トンネルバリア層4の構成材料としては、酸化マグネシウムMgOを用いるのがよい。これによって、従来一般的に用いられてきた酸化アルミニウムを用いる場合よりも、磁気抵抗変化率(MR比)を大きくすることができ、また、スピン注入効率を向上させることができる。この結果、読み出しの際には信号強度を大きくすることができ、書き込みの際には、書き込み電流密度のしきい値を減少させることができる。ただし、トンネルバリア層4の構成材料は、これに限定されるものではなく、酸化アルミニウムAl23、窒化アルミニウムAlN、酸化窒化アルミニウムAlNxy、二酸化ケイ素SiO2、酸化ビスマスBi23、フッ化マグネシウムMgF2、フッ化カルシウムCaF2、チタン酸ストロンチウムSrTiO3、およびランタン酸アルミニウムAlLaO3などの各種の絶縁体、誘電体、半導体を用いることができる。 As a constituent material of the tunnel barrier layer 4, magnesium oxide MgO is preferably used. As a result, the magnetoresistance change rate (MR ratio) can be increased and the spin injection efficiency can be improved as compared with the case of using aluminum oxide which has been generally used conventionally. As a result, the signal intensity can be increased during reading, and the write current density threshold can be decreased during writing. However, the constituent material of the tunnel barrier layer 4 is not limited to this, and aluminum oxide Al 2 O 3 , aluminum nitride AlN, aluminum oxynitride AlN x O y , silicon dioxide SiO 2 , bismuth oxide Bi 2 O 3 Various insulators, dielectrics, and semiconductors such as magnesium fluoride MgF 2 , calcium fluoride CaF 2 , strontium titanate SrTiO 3 , and aluminum lanthanum AlLaO 3 can be used.

磁化固定層3の強磁性導電層3aおよび3cの構成材料としては、Fe、Ni、およびCoの1種もしくは2種以上からなる合金材料を用いることができる。さらに、NbやZrなどの遷移金属元素や、ホウ素Bなどの軽元素を含有させることもできる。また、中間層3bの構成材料としては、Ru、Cu、Cr、Au、Agなどを用いることができる。中間層3bの膜厚は、構成材料に応じて適宜選択するが、0.5〜2.5nm程度が好ましい。なお、本実施の形態では、磁化固定層3が積層フェリ構造からなる例を説明したが、磁化固定層は単層の強磁性層からなるものであってもよい。   As the constituent material of the ferromagnetic conductive layers 3a and 3c of the magnetization fixed layer 3, an alloy material composed of one or more of Fe, Ni, and Co can be used. Further, transition metal elements such as Nb and Zr, and light elements such as boron B can be contained. Further, Ru, Cu, Cr, Au, Ag, or the like can be used as a constituent material of the intermediate layer 3b. The thickness of the intermediate layer 3b is appropriately selected according to the constituent material, but is preferably about 0.5 to 2.5 nm. In the present embodiment, the example in which the magnetization pinned layer 3 has a laminated ferrimagnetic structure has been described. However, the magnetization pinned layer may have a single ferromagnetic layer.

反強磁性層2の構成材料としては、Fe、Ni、Pt、Ir、およびRhなどの金属元素とMnとの合金、例えば、FeMn、NiMn、PtMn、PtCrMn、IrMnなどや、CoやNiの酸化物、例えば、NiO、Fe23などの磁性材料を用いることができる。また、これらの磁性材料に非磁性元素を添加して、磁気特性を調整したり、物質の安定性などの各種物性を調整したりすることができる。 The constituent material of the antiferromagnetic layer 2 includes alloys of metal elements such as Fe, Ni, Pt, Ir, and Rh with Mn, such as FeMn, NiMn, PtMn, PtCrMn, and IrMn, and oxidation of Co and Ni. For example, magnetic materials such as NiO and Fe 2 O 3 can be used. Further, by adding a non-magnetic element to these magnetic materials, it is possible to adjust magnetic properties and various physical properties such as substance stability.

MTJ素子10は、スパッタリング法や蒸着法などで各層を形成し、フォトリソグラフィとエッチングによってパターニングすることなどによって、製造することができる。   The MTJ element 10 can be manufactured by forming each layer by sputtering, vapor deposition, or the like, and patterning by photolithography and etching.

このように構成されたMRAMにおいて、所望のメモリセルのMTJ素子10への情報の書き込みでは、まず、ワード線であるゲート電極55に選択信号を印加して、所望のメモリセルが含まれる行の選択用トランジスタ50をすべてON(導通)状態にする。これに合わせて、所望のメモリセルが含まれる列のビット線61に書き込み電圧を印加する。この結果、所望のメモリセルだけが選択され、そのMTJ素子10の磁化自由層(記憶層)5をスピン偏極電流が貫流し、磁化自由層(記憶層)5が所定の磁化方向に磁化され、情報の書き込みが行われる。   In the MRAM configured as described above, in writing information to the MTJ element 10 of a desired memory cell, first, a selection signal is applied to the gate electrode 55 which is a word line, and a row including the desired memory cell is included. All the selection transistors 50 are turned on (conductive). In accordance with this, a write voltage is applied to the bit line 61 in the column including the desired memory cell. As a result, only a desired memory cell is selected, a spin-polarized current flows through the magnetization free layer (memory layer) 5 of the MTJ element 10, and the magnetization free layer (memory layer) 5 is magnetized in a predetermined magnetization direction. Information is written.

図2は、上記のMRAMに対し書き込みテストを行った結果の一例を示すグラフである。図2(a)に示すテストでは、初期状態が高抵抗状態(「反平行」状態)にあるMTJ素子10に対し、パルス幅10nsの書き込み電流を流し、低抵抗状態(「平行」状態)に反転させた。テストは、電流パルスの大きさを少しずつ増大させながら、複数回行った。図2(a)では、縦軸に電流パルスの大きさをとり、21個のメモリセルについての結果を塗り分けて示している。図中、書き込みが失敗した場合をハッチングを付した長方形で示し、書き込みが成功した場合をハッチングのない長方形で示した。   FIG. 2 is a graph showing an example of a result of a write test performed on the MRAM. In the test shown in FIG. 2A, a write current having a pulse width of 10 ns is applied to the MTJ element 10 whose initial state is the high resistance state (“anti-parallel” state), and the low resistance state (“parallel” state) is obtained. Inverted. The test was performed several times while gradually increasing the magnitude of the current pulse. In FIG. 2A, the vertical axis represents the current pulse magnitude, and the results for 21 memory cells are shown separately. In the figure, the case where writing failed is indicated by a hatched rectangle, and the case where writing was successful is indicated by a rectangle without hatching.

図2(a)の下部の領域は、電流パルスの大きさがしきい値に達しない場合、すべてのメモリセルで書き込みが失敗したことを示しており、これは当然のことである。一方、電流パルスの大きさがしきい値よりも大きい図2(a)の上部の領域では、失敗例が存在しない。失敗例と成功例がしきい値によって明確に分離されており、これは、図9(a)に示した従来例との著しい相違である。   The lower region of FIG. 2A indicates that writing has failed in all the memory cells when the magnitude of the current pulse does not reach the threshold value, which is natural. On the other hand, there is no failure example in the upper region of FIG. 2A where the magnitude of the current pulse is larger than the threshold value. The failure example and the success example are clearly separated by the threshold value, which is a significant difference from the conventional example shown in FIG.

図3は、MTJ素子10の書き込み過渡特性を示すグラフである。図3には、MTJ素子10に書き込んだ結果とともに、比較例として従来のMTJ素子200(図8参照。)に書き込んだ結果も示す。図3において横軸は時間を表し、縦軸はMTJ素子が示す抵抗値を表す。高抵抗状態および低抵抗状態は、それぞれ、磁化自由層(記憶層)5の磁化方向が、参照磁化層3cの磁化方向に対して「反平行」および「平行」である状態に対応する。   FIG. 3 is a graph showing the write transient characteristics of the MTJ element 10. FIG. 3 shows the result of writing to the MTJ element 10 (see FIG. 8) as a comparative example, together with the result of writing to the MTJ element 10. In FIG. 3, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the resistance value indicated by the MTJ element. The high resistance state and the low resistance state respectively correspond to states in which the magnetization direction of the magnetization free layer (storage layer) 5 is “antiparallel” and “parallel” to the magnetization direction of the reference magnetization layer 3c.

MTJ素子10の平面形状(top view)は、長軸長300nm、短軸長100nmの楕円形である。磁化自由層5およびスピントルクフリー層13はCoFeBTa合金を積層して形成されており、厚さはともに2nmである。飽和磁化はおよそ400emu/cm3、ダンピング定数αは0.01以下である。この素子に大きさ2mA、パルス幅10nsの矩形定電流パルスを印加した。横軸の時間0が電流パルスを印加し始めた時点である。2mAの電流は、磁化自由層(記憶層)5における電流密度でおよそ8.5MA/cm2に相当する。 The planar shape (top view) of the MTJ element 10 is an ellipse having a major axis length of 300 nm and a minor axis length of 100 nm. The magnetization free layer 5 and the spin torque free layer 13 are formed by laminating a CoFeBTa alloy and both have a thickness of 2 nm. The saturation magnetization is about 400 emu / cm 3 and the damping constant α is 0.01 or less. A rectangular constant current pulse having a size of 2 mA and a pulse width of 10 ns was applied to the device. Time 0 on the horizontal axis is the time when the application of the current pulse starts. A current of 2 mA corresponds to a current density of about 8.5 MA / cm 2 in the magnetization free layer (memory layer) 5.

MTJ素子10の抵抗値の過渡的変化は、四端子法によって求めた。信号源としてパルスジェネレータDG2040(Tektronix社製;商品名)を用い、超高速オシロスコープDSA71254(Tektronix社製;商品名)を用いて、MTJ素子10の両端の電圧を50Gサンプル/秒のサンプリングレートでリアルタイム測定した。測定後、電流値と電圧値から抵抗値を算出した。   The transient change of the resistance value of the MTJ element 10 was obtained by the four probe method. A pulse generator DG2040 (Tektronix; trade name) is used as a signal source, and an ultra-high-speed oscilloscope DSA71254 (Tektronix; trade name) is used. It was measured. After the measurement, the resistance value was calculated from the current value and the voltage value.

図3に示すように、従来のMTJ素子200では、電流パルスを印加し始めたほぼ直後から磁化自由層(記憶層)5の磁化方向は反転を開始するが、その後、磁化方向は「反平行」状態と「平行」状態との間で不規則な変動を続け、反転状態である「平行」状態に落ち着こうとする傾向がほとんど見られない。これが本明細書中で「磁化が必要以上に磁化回転する」と呼んでいる現象である。   As shown in FIG. 3, in the conventional MTJ element 200, the magnetization direction of the magnetization free layer (memory layer) 5 starts reversal almost immediately after the start of application of the current pulse. ”State and the“ parallel ”state continue to fluctuate irregularly, and there is almost no tendency to settle down to the“ parallel ”state that is the inverted state. This is a phenomenon called “magnetization rotates more than necessary” in this specification.

このような過剰な磁化方向の変動を抑える方法の1つとして、磁化自由層(記憶層)5のダンピング定数αを増加させることが考えられる。しかしこのようにすると、式(3)に示したように、書き込み電流密度のしきい値Jc0も増大してしまうので好ましくない。 As one method for suppressing such excessive fluctuations in the magnetization direction, it is conceivable to increase the damping constant α of the magnetization free layer (memory layer) 5. However, this is not preferable because the write current density threshold value J c0 also increases as shown in the equation (3).

このため、本実施の形態に基づくMTJ素子10では、磁化自由層(記憶層)5の近傍にスピントルクフリー層13を設け、磁気的な結合力によって磁化自由層(記憶層)5を動的にダンピングする。ただし、スピン偏極電流によるスピントルクがスピントルクフリー層13に直接作用すると、スピントルクフリー層13の磁化方向自体も過剰な変動を起こしてしまい、スピントルクフリー層13の磁化がダンパとしての役割をはたせなくなる。従って、スピントルクフリー層13にはスピン偏極電流によるスピントルクが直接作用しないように構成しなければならない。   Therefore, in the MTJ element 10 according to the present embodiment, the spin torque free layer 13 is provided in the vicinity of the magnetization free layer (memory layer) 5, and the magnetization free layer (memory layer) 5 is dynamically changed by the magnetic coupling force. Damping to However, if the spin torque due to the spin-polarized current directly acts on the spin torque free layer 13, the magnetization direction itself of the spin torque free layer 13 also changes excessively, and the magnetization of the spin torque free layer 13 serves as a damper. Can no longer be applied. Therefore, the spin torque free layer 13 must be configured so that the spin torque caused by the spin polarized current does not act directly.

そこでMTJ素子10では、図1に示したように、磁化自由層(記憶層)5とスピントルクフリー層13との間に引き出し導電層11が設けられている。ビット線61から供給されるスピン偏極電流は接続プラグ15と引き出し導電層を流れて磁化自由層(記憶層)5に導かれ、スピン偏極電流はスピントルクフリー層13を経由せずに流れる。このため、スピン偏極電流によるスピントルクが、スピントルクフリー層13に直接作用することがない。   Therefore, in the MTJ element 10, as shown in FIG. 1, the lead conductive layer 11 is provided between the magnetization free layer (memory layer) 5 and the spin torque free layer 13. The spin-polarized current supplied from the bit line 61 flows through the connection plug 15 and the lead conductive layer and is guided to the magnetization free layer (memory layer) 5, and the spin-polarized current flows without passing through the spin torque free layer 13. . For this reason, the spin torque due to the spin-polarized current does not directly act on the spin torque free layer 13.

このように構成されたMTJ素子10では、図3に示すように、磁化自由層(記憶層)5の磁化は、スピントルクフリー層13によって過剰な変動が完全に抑えられ、1ns以下の非常に短い時間で高抵抗状態(「反平行」状態)から低抵抗状態(「平行」状態)へ遷移する。この際、磁化自由層(記憶層)5とスピントルクフリー層13とは別々のタイミングで磁化反転する。この結果、図2(a)に示したように、書き込みの失敗が少なく、書き込み電流密度のしきい値が非常に小さい、高速化および低消費電力化に適したスピン注入磁化反転MTJ素子10を実現できる。   In the MTJ element 10 configured in this way, as shown in FIG. 3, the magnetization of the magnetization free layer (memory layer) 5 is completely suppressed from excessive fluctuations by the spin torque free layer 13, and is extremely less than 1 ns. Transition from a high resistance state (“anti-parallel” state) to a low resistance state (“parallel” state) in a short time. At this time, the magnetization free layer (memory layer) 5 and the spin torque free layer 13 undergo magnetization reversal at different timings. As a result, as shown in FIG. 2A, the spin-injection magnetization reversal MTJ element 10 suitable for high speed and low power consumption with few write failures and a very small write current density threshold is obtained. realizable.

また、静的には、スピントルクフリー層13と磁化自由層(記憶層)5とは、反対方向に磁化し、磁気的に結合した二層膜として機能するので、磁化自由層(記憶層)5に記憶された記録磁化の熱ゆらぎに対する耐性が向上し、メモリとしての熱的信頼性が大幅に向上する。   In addition, statically, the spin torque free layer 13 and the magnetization free layer (memory layer) 5 are magnetized in opposite directions and function as a magnetically coupled two-layer film, so that the magnetization free layer (memory layer) The resistance against thermal fluctuation of the recorded magnetization stored in the memory 5 is improved, and the thermal reliability as a memory is greatly improved.

図2(b)に示すテストでは、初期状態が低抵抗状態(「平行」状態)にあるMTJ素子10に対し、パルス幅10nsの書き込み電流を上記と逆方向に流し、高抵抗状態(「反平行」状態)に反転させた。テストは、電流パルスの大きさを少しずつ増大させながら、複数回行った。図2(b)では、図2(a)と同様、縦軸に電流パルスの大きさをとり、21個のメモリセルについての結果を塗り分けて示している。   In the test shown in FIG. 2B, a write current having a pulse width of 10 ns is applied to the MTJ element 10 whose initial state is in the low resistance state (“parallel” state) in the opposite direction to the above state. Parallel ”state). The test was performed several times while gradually increasing the magnitude of the current pulse. In FIG. 2B, as in FIG. 2A, the magnitude of the current pulse is plotted on the vertical axis, and the results for 21 memory cells are shown separately.

図2(a)に示したテストと同様、電流パルスの大きさがしきい値に達しない図2(b)の下部の領域では、すべてのメモリセルで書き込みが失敗しているが、電流パルスの大きさがしきい値よりも大きい図2(b)の上部の領域では、失敗例が存在しない。失敗例と成功例がしきい値によって明確に分離されており、これは、図9(b)に示した従来例との著しい相違である。   As in the test shown in FIG. 2A, in the lower area of FIG. 2B where the magnitude of the current pulse does not reach the threshold value, writing failed in all the memory cells. There is no failure example in the upper region of FIG. The failure example and the success example are clearly separated by the threshold value, which is a significant difference from the conventional example shown in FIG.

一方、MTJ素子10からの情報の読み出しは、MTJ素子100および200と同様、TMR効果を用いて行われる。すなわち、まず、ワード線であるゲート電極55に選択信号を印加して、所望のメモリセルが含まれる行の選択用トランジスタ50をすべてON(導通)状態にする。これに合わせて、所望のメモリセルが含まれる列のビット線61に読み出し用電圧を印加する。この結果、所望のメモリセルだけが選択され、そのMTJ素子10の磁化自由層(記憶層)5の磁化方向の違いが、TMR効果を利用してMTJ素子10を流れるトンネル電流の大きさの違いとして検知される。トンネル電流は行配線62から(図示省略した)周辺回路へ取り出されて測定される。   On the other hand, reading of information from the MTJ element 10 is performed using the TMR effect, as in the MTJ elements 100 and 200. That is, first, a selection signal is applied to the gate electrode 55 that is a word line, and all the selection transistors 50 in a row including a desired memory cell are turned on (conductive). In accordance with this, a read voltage is applied to the bit line 61 in the column including the desired memory cell. As a result, only a desired memory cell is selected, and the difference in magnetization direction of the magnetization free layer (memory layer) 5 of the MTJ element 10 is different in the magnitude of the tunnel current flowing through the MTJ element 10 using the TMR effect. Detected as The tunnel current is taken out from the row wiring 62 to a peripheral circuit (not shown) and measured.

実施の形態2
実施の形態2では、主として、請求項1、3、4、8、および11に関わる例としてスピン注入磁化反転MTJ素子、および、このMTJ素子を用いたMRAMについて説明する。
Embodiment 2
In the second embodiment, a spin-injection magnetization reversal MTJ element and an MRAM using this MTJ element will be mainly described as an example relating to claims 1, 3, 4, 8, and 11.

図4は、実施の形態2に基づくスピン注入磁化反転MTJ素子からなるMRAMの、メモリセルの構造を示す部分断面図である。実施の形態1と同様に、このMRAMでは行配線(ワード線)と列配線(ビット線)とがマトリックス状に配置され、それらの各交点の位置にMTJ素子20が配置され、1ビットに相当するメモリセルが形成されている。   FIG. 4 is a partial cross-sectional view showing the structure of the memory cell of the MRAM including the spin transfer magnetization switching MTJ element according to the second embodiment. As in the first embodiment, in this MRAM, row wirings (word lines) and column wirings (bit lines) are arranged in a matrix, and MTJ elements 20 are arranged at the positions of their intersections, corresponding to 1 bit. A memory cell is formed.

図4に示すように、メモリセルの中央部には、下層から順に下地層1、反強磁性層2、固定磁化層3a、中間層3b、参照磁化層3c、トンネルバリア層4,磁化自由層(記憶層)5、およびキャップ層6の各層が積層され、さらにその上にバイパス導電体21で周囲を囲まれたキャップ層12、スピントルクフリー層13、およびキャップ層14の各層が積層されて、MTJ素子20が形成されている。   As shown in FIG. 4, at the center of the memory cell, in order from the bottom, the underlayer 1, the antiferromagnetic layer 2, the fixed magnetization layer 3a, the intermediate layer 3b, the reference magnetization layer 3c, the tunnel barrier layer 4, and the magnetization free layer. The (memory layer) 5 and the cap layer 6 are laminated, and the cap layer 12, the spin torque free layer 13 and the cap layer 14 surrounded by the bypass conductor 21 are further laminated thereon. The MTJ element 20 is formed.

実施の形態2に基づくMTJ素子20が、MTJ素子10と異なるのは、引き出し導電層11および接続プラグ15の代わりに、前記バイパス導電部材であるバイパス導電体21を備えていることである。他は同じであるので、重複を避け、主に相違点について説明する。   The MTJ element 20 according to the second embodiment is different from the MTJ element 10 in that a bypass conductor 21 as the bypass conductive member is provided instead of the lead conductive layer 11 and the connection plug 15. Since the others are the same, avoid duplication and mainly explain the differences.

MTJ素子20では、MTJ素子10と同様、磁化自由層(記憶層)5の上部にスピントルクフリー層13が設けられている。スピントルクフリー層13は磁化自由層(記憶層)5と磁気的に結合し、磁化自由層(記憶層)5の磁化方向の反転の際に生じる過渡的な磁化方向の変動を抑制する。スピントルクフリー層13の下面および上面には、それぞれ、キャップ層12および14が設けられている。   In the MTJ element 20, similarly to the MTJ element 10, the spin torque free layer 13 is provided on the magnetization free layer (memory layer) 5. The spin torque free layer 13 is magnetically coupled to the magnetization free layer (memory layer) 5 and suppresses transient fluctuations in the magnetization direction that occur when the magnetization direction of the magnetization free layer (memory layer) 5 is reversed. Cap layers 12 and 14 are provided on the lower surface and the upper surface of the spin torque free layer 13, respectively.

キャップ層12とスピントルクフリー層13とキャップ層14との積層体は、その周囲をバイパス導電体21によって囲まれている。そしてこれら全体がビット線61とキャップ層6との間に挿入されている。このため、バイパス導電体21はスピントルクフリー層13に対して並列に設けられ、この並列導電路が、スピン偏極電流を供給するビット線61と磁化自由層(記憶層)5との間に電気的に接続されている。この際、スピントルクフリー層13が比抵抗値が100μΩcm以上の磁性体からなり、バイパス導電体21が比抵抗値100μΩcm以下の導電体からなる。   The laminated body of the cap layer 12, the spin torque free layer 13 and the cap layer 14 is surrounded by a bypass conductor 21. All of these are inserted between the bit line 61 and the cap layer 6. Therefore, the bypass conductor 21 is provided in parallel to the spin torque free layer 13, and this parallel conductive path is provided between the bit line 61 that supplies the spin-polarized current and the magnetization free layer (storage layer) 5. Electrically connected. At this time, the spin torque free layer 13 is made of a magnetic material having a specific resistance value of 100 μΩcm or more, and the bypass conductor 21 is made of a conductor having a specific resistance value of 100 μΩcm or less.

この結果、MTJ素子20では、ビット線61から供給される書き込み電流の大部分は、バイパス導電体21を経由して磁化自由層(記憶層)5に導かれ、一部分だけがわずかにスピントルクフリー層13を経由して磁化自由層(記憶層)5へ流れる。このため、スピントルクフリー層13を流れるスピン偏極電流はわずかに抑えられ、スピントルクフリー層13中の電子に実用上問題になるようなスピントルクが作用することがない。   As a result, in the MTJ element 20, most of the write current supplied from the bit line 61 is guided to the magnetization free layer (memory layer) 5 via the bypass conductor 21, and only a part is slightly spin torque free. It flows to the magnetization free layer (storage layer) 5 via the layer 13. For this reason, the spin-polarized current flowing through the spin torque-free layer 13 is slightly suppressed, and spin torque that causes a practical problem does not act on the electrons in the spin-torque free layer 13.

このように構成されたMTJ素子20では、MTJ素子10と同様、磁化自由層(記憶層)5を反転させる際の過渡特性が、実用上スピン偏極電流が直接作用しないスピントルクフリー層13との磁気的結合によって改善され、磁化自由層(記憶層)5は速やか、かつ確実に反転状態に導かれる。   In the MTJ element 20 configured as described above, like the MTJ element 10, the transient characteristics when the magnetization free layer (memory layer) 5 is reversed have a spin torque free layer 13 in which a spin-polarized current does not directly act in practice. Thus, the magnetization free layer (storage layer) 5 is promptly and reliably guided to the inverted state.

MTJ素子20では、MTJ素子10で得られる効果に加えて、引き出し導電層11が不要になるため、メモリセルの面積を縮小することが可能になる。その結果、MTJ素子20からなるMRAMでは、より高集積化、大容量化が可能になる。   In the MTJ element 20, in addition to the effect obtained by the MTJ element 10, the lead conductive layer 11 is not necessary, and thus the area of the memory cell can be reduced. As a result, the MRAM including the MTJ element 20 can be further integrated and increased in capacity.

実施の形態3
実施の形態3では、主として、請求項1、5〜8、および11に関わる例としてスピン注入磁化反転MTJ素子、および、このMTJ素子を用いたMRAMについて説明する。
Embodiment 3
In the third embodiment, a spin-injection magnetization reversal MTJ element and an MRAM using this MTJ element will be mainly described as examples relating to claims 1, 5 to 8, and 11.

図5は、実施の形態3に基づく、スピン注入による磁化反転を利用するMTJ素子からなるMRAMのメモリセルの構造を示す部分断面図である。実施の形態1と同様に、このMRAMでは行配線(ワード線)と列配線(ビット線)とがマトリックス状に配置され、それらの各交点の位置にMTJ素子30が配置され、1ビットに相当するメモリセルが形成されている。   FIG. 5 is a partial cross-sectional view showing the structure of an MRAM memory cell comprising an MTJ element using magnetization reversal by spin injection based on the third embodiment. As in the first embodiment, in this MRAM, row wirings (word lines) and column wirings (bit lines) are arranged in a matrix, and MTJ elements 30 are arranged at the positions of their intersections, corresponding to 1 bit. A memory cell is formed.

図5に示すように、メモリセルの中央部には、下層から順に下地層1、反強磁性層2、固定磁化層3a、中間層3b、参照磁化層3c、トンネルバリア層4,磁化自由層(記憶層)5、キャップ層31、スピンシンク層32、キャップ層33、スピントルクフリー層13、およびキャップ層14の各層が積層されて、TMR磁気メモリ素子30が形成されている。スピンシンク層32はスピン偏極電流のスピン偏極を解消する層であり、その上下にキャップ層31と33が積層されて設けられている。   As shown in FIG. 5, at the center of the memory cell, there are an underlayer 1, an antiferromagnetic layer 2, a fixed magnetization layer 3a, an intermediate layer 3b, a reference magnetization layer 3c, a tunnel barrier layer 4, and a magnetization free layer in order from the bottom. (Storage layer) 5, the cap layer 31, the spin sink layer 32, the cap layer 33, the spin torque free layer 13, and the cap layer 14 are laminated to form the TMR magnetic memory element 30. The spin sink layer 32 is a layer that eliminates the spin polarization of the spin polarization current, and the cap layers 31 and 33 are laminated on the upper and lower sides thereof.

実施の形態3に基づくMTJ素子30が、MTJ素子10あるいはMTJ素子20と異なるのは、引き出し導電層11と接続プラグ15、あるいはバイパス導電体21の代わりに、スピンシンク層32を備えていることである。他は同じであるので、重複を避け、主に相違点について説明する。   The MTJ element 30 according to the third embodiment is different from the MTJ element 10 or the MTJ element 20 in that a spin sink layer 32 is provided instead of the lead conductive layer 11 and the connection plug 15 or the bypass conductor 21. It is. Since the others are the same, avoid duplication and mainly explain the differences.

MTJ素子30では、MTJ素子10と同様、磁化自由層(記憶層)5の上部にスピントルクフリー層13が設けられている。スピントルクフリー層13は磁化自由層(記憶層)5と磁気的に結合し、磁化自由層(記憶層)5の磁化方向の反転の際に生じる過渡的な磁化方向の変動を抑制する。スピントルクフリー層13の下面および上面には、それぞれ、キャップ層33およびキャップ層14が設けられている。   In the MTJ element 30, similarly to the MTJ element 10, the spin torque free layer 13 is provided on the magnetization free layer (memory layer) 5. The spin torque free layer 13 is magnetically coupled to the magnetization free layer (memory layer) 5 and suppresses transient fluctuations in the magnetization direction that occur when the magnetization direction of the magnetization free layer (memory layer) 5 is reversed. A cap layer 33 and a cap layer 14 are provided on the lower surface and the upper surface of the spin torque free layer 13, respectively.

スピントルクフリー層13にスピン偏極電流によるスピントルクを作用させない方法として、実施の形態1や2のようにスピントルクフリー層13へ電流が流れないようにする方法もあるが、別の方法として、スピン偏極電流のスピン偏極を解消した後に、電流をスピントルクフリー層13へ流す方法がある。実施の形態3ではこの方法を採用し、磁化自由層(記憶層)5とスピントルクフリー層13との間に、スピン偏極電流のスピン偏極を解消するスピンシンク層32を設けている。   As a method of preventing the spin torque due to the spin-polarized current from acting on the spin torque free layer 13, there is a method of preventing the current from flowing to the spin torque free layer 13 as in the first and second embodiments. There is a method of flowing the current to the spin torque free layer 13 after eliminating the spin polarization of the spin polarized current. In the third embodiment, this method is adopted, and a spin sink layer 32 is provided between the magnetization free layer (memory layer) 5 and the spin torque free layer 13 to eliminate the spin polarization of the spin polarization current.

磁化自由層(記憶層)5を流れる上向きスピン↑をもつ電流の密度および下向きスピン↓をもつ電流の密度を、それぞれ、J↑およびJ↓とする。電子の荷電粒子としての総和は荷電流(J↑+J↓)で表され、スピン粒子としての総和はスピン流(J↑−J↓)で表される。スピントルクが磁性体に作用するのは、スピン流が磁性体に流入するからである。スピン流の大きさが1/eになる距離はスピン拡散長と呼ばれ、MTJ素子はnmサイズの領域ではスピン拡散長が平均自由行程よりも長いことを利用している。   The density of current having an upward spin ↑ and the density of current having a downward spin ↓ flowing through the magnetization free layer (memory layer) 5 are defined as J ↑ and J ↓, respectively. The sum of electrons as charged particles is represented by a load current (J ↑ + J ↓), and the sum of spin particles is represented by a spin current (J ↑ −J ↓). The spin torque acts on the magnetic material because the spin current flows into the magnetic material. The distance at which the magnitude of the spin current is 1 / e is called the spin diffusion length, and the MTJ element uses the fact that the spin diffusion length is longer than the mean free path in the nm size region.

言い換えれば、荷電流が流入してもスピン流が流入しなければスピントルクは作用しない。スピン拡散長が極めて短い材料は、スピンシンク(spin-sink)として作用する(Y. Tserkovnyak and A. Brataas, “Spin pumping and magnetization dynamics in metallic multilayers”, Phys. Rev. B, 66, 224403 (2002)参照。)。従って、スピン流を減衰させるには、スピンシンク層32を、スピン拡散長が短い、オスミウムOs、イリジウムIr、レニウムRe、白金Pt、ルテニウムRu、タングステンW、ニオブNb、およびジルコニウムZrからなる群から選ばれた少なくとも1種の元素を含有する層とし、これを磁化自由層(記憶層)5とスピントルクフリー層13との間に挟めばよい。   In other words, even if the load current flows, the spin torque does not act unless the spin current flows. A material with an extremely short spin diffusion length acts as a spin-sink (Y. Tserkovnyak and A. Brataas, “Spin pumping and magnetization dynamics in metallic multilayers”, Phys. Rev. B, 66, 224403 (2002). )reference.). Therefore, in order to attenuate the spin current, the spin sink layer 32 is made of the group consisting of osmium Os, iridium Ir, rhenium Re, platinum Pt, ruthenium Ru, tungsten W, niobium Nb, and zirconium Zr having a short spin diffusion length. A layer containing at least one selected element may be used, and this layer may be sandwiched between the magnetization free layer (memory layer) 5 and the spin torque free layer 13.

スピンシンク層32の膜厚はスピン流を減衰させるに十分な長さ、およそ2nm以上必要である。スピンシンク層32と、磁化自由層(記憶層)5およびスピントルクフリー層13と直接接触させると、スピンシンク層32によって磁化自由層(記憶層)5内部のスピン流が阻害されるなどの悪影響が生じる可能性がある。これを防止するために、スピンシンク層32と、磁化自由層(記憶層)5およびスピントルクフリー層13との間に、キャップ層31および33を挟むのが好ましい。   The film thickness of the spin sink layer 32 needs to be long enough to attenuate the spin current, approximately 2 nm or more. When the spin sink layer 32 is brought into direct contact with the magnetization free layer (memory layer) 5 and the spin torque free layer 13, the spin sink layer 32 inhibits the spin current in the magnetization free layer (memory layer) 5 from being adversely affected. May occur. In order to prevent this, it is preferable to sandwich the cap layers 31 and 33 between the spin sink layer 32 and the magnetization free layer (memory layer) 5 and the spin torque free layer 13.

キャップ層31および33は、スピン拡散長が長い、銀、銅、クロム、金、バナジウム、チタン、ロジウム、タリウム、ハフニウム、コバルト、鉄、ニッケル、およびマンガンからなる群から選ばれた少なくとも1種の元素を含有する層であるのがよい。スピンシンク層32の悪影響を防ぐためには、キャップ層31および33の膜厚は、少なくとも0.1nm以上であることが必要である。   The cap layers 31 and 33 have at least one selected from the group consisting of silver, copper, chromium, gold, vanadium, titanium, rhodium, thallium, hafnium, cobalt, iron, nickel, and manganese having a long spin diffusion length. It is preferable that the layer contains an element. In order to prevent the adverse effect of the spin sink layer 32, the film thickness of the cap layers 31 and 33 needs to be at least 0.1 nm or more.

このように構成されたMTJ素子30では、MTJ素子10と同様、磁化自由層(記憶層)5を反転させる際の過渡特性が、実用上スピン偏極電流が直接作用しないスピントルクフリー層13との磁気的結合によって改善され、磁化自由層(記憶層)5は速やか、かつ確実に反転状態に導かれる。   In the MTJ element 30 configured as described above, like the MTJ element 10, the transient characteristics when the magnetization free layer (memory layer) 5 is reversed have a spin torque free layer 13 to which a spin-polarized current does not directly act in practice. Thus, the magnetization free layer (storage layer) 5 is promptly and reliably guided to the inverted state.

MTJ素子30では、MTJ素子10あるいはMTJ素子20で得られる効果に加えて、接続プラグ15と引き出し導電層11、あるいはバイパス導電体21が不要になる。このため、これらの形成のためのマスクを必要とせず、製造コストを低下させることができる。また、メモリセル面積を縮小することが可能になるので、MTJ素子からなるMRAMのさらなる大容量化が可能になる。   In the MTJ element 30, in addition to the effects obtained by the MTJ element 10 or the MTJ element 20, the connection plug 15 and the lead conductive layer 11 or the bypass conductor 21 are not required. For this reason, the mask for these formation is not required and manufacturing cost can be reduced. Further, since the memory cell area can be reduced, the capacity of the MRAM composed of MTJ elements can be further increased.

実施の形態4
実施の形態4では、主として、請求項1および8〜11に関わる例としてスピン注入磁化反転MTJ素子、および、このMTJ素子を用いたMRAMについて説明する。
Embodiment 4
In the fourth embodiment, a spin-injection magnetization reversal MTJ element and an MRAM using this MTJ element will be mainly described as examples relating to claims 1 and 8 to 11.

図6は、実施の形態4に基づくスピン注入磁化反転MTJ素子からなるMRAMの、メモリセルの構造を示す部分断面図である。実施の形態1と同様に、このMRAMでは行配線(ワード線)と列配線(ビット線)とがマトリックス状に配置され、それらの各交点の位置にMTJ素子40が配置され、1ビットに相当するメモリセルが形成されている。   FIG. 6 is a partial cross-sectional view showing the structure of a memory cell in an MRAM composed of a spin transfer magnetization switching MTJ element according to the fourth embodiment. As in the first embodiment, in this MRAM, row wirings (word lines) and column wirings (bit lines) are arranged in a matrix, and MTJ elements 40 are arranged at the positions of their intersections, corresponding to 1 bit. A memory cell is formed.

図6に示すように、メモリセルの中央部には、下層から順に下地層1、反強磁性層2、固定磁化層3a、中間層3b、参照磁化層3c、トンネルバリア層4,磁化自由層(記憶層)5a、中間層41、磁化自由層(記憶層)5b、キャップ層31、スピンシンク層32、キャップ層33、スピントルクフリー層13a、中間層42、スピントルクフリー層13b、およびキャップ層14の各層が積層されて、TMR磁気メモリ素子40が形成されている。   As shown in FIG. 6, at the center of the memory cell, in order from the bottom, the underlayer 1, the antiferromagnetic layer 2, the fixed magnetization layer 3a, the intermediate layer 3b, the reference magnetization layer 3c, the tunnel barrier layer 4, and the magnetization free layer (Storage layer) 5a, intermediate layer 41, magnetization free layer (storage layer) 5b, cap layer 31, spin sink layer 32, cap layer 33, spin torque free layer 13a, intermediate layer 42, spin torque free layer 13b, and cap The TMR magnetic memory element 40 is formed by laminating the layers 14.

TMR磁気メモリ素子40が、実施の形態3のTMR磁気メモリ素子30と異なるのは、磁化自由層(記憶層)5およびスピントルクフリー層13が複層構造で設けられていることである。   The TMR magnetic memory element 40 is different from the TMR magnetic memory element 30 of the third embodiment in that the magnetization free layer (memory layer) 5 and the spin torque free layer 13 are provided in a multilayer structure.

本発明の骨子の一つは、磁化自由層(記憶層)5の磁化の動的挙動をスピントルクフリー層13の磁化の動的挙動で動的にダンピングすることにある。この目的のためには磁化自由層(記憶層)5の磁化およびスピントルクフリー層13の磁化の動的特性がプロセス条件によって完全に制御されなければならない。ダンピング定数を含めた磁性体の基礎特性を制御する1つの方法は、磁性層を、単層磁性体ではなく、間に非磁性の中間層を挟んだ多層の磁性体で構成することである。多層化によって粒径や粒間の結合定数を制御できれば、スピン注入磁化反転MTJ素子に適した所望の動的挙動を実現できる。   One of the gist of the present invention is to dynamically damp the dynamic behavior of the magnetization of the magnetization free layer (memory layer) 5 with the dynamic behavior of the magnetization of the spin torque free layer 13. For this purpose, the dynamic characteristics of the magnetization of the magnetization free layer (storage layer) 5 and the magnetization of the spin torque free layer 13 must be completely controlled by the process conditions. One method for controlling the basic characteristics of the magnetic material including the damping constant is to configure the magnetic layer not with a single-layer magnetic material but with a multilayer magnetic material with a nonmagnetic intermediate layer interposed therebetween. If the grain size and the coupling constant between grains can be controlled by multilayering, a desired dynamic behavior suitable for a spin injection magnetization switching MTJ element can be realized.

この際、磁化自由層(記憶層)5が、中間層41で隔てられて強磁性結合した多層膜5aおよび5bからなり、中間層41はスピン拡散長が長い、、銀、銅、クロム、金、バナジウム、チタン、ロジウム、タリウム、およびハフニウムからなる群から選ばれた少なくとも1種の元素を含有するのがよい。   At this time, the magnetization free layer (memory layer) 5 is composed of the multilayer films 5a and 5b separated by the intermediate layer 41 and ferromagnetically coupled. The intermediate layer 41 has a long spin diffusion length, silver, copper, chromium, gold And at least one element selected from the group consisting of vanadium, titanium, rhodium, thallium, and hafnium.

また、スピントルクフリー層13が、中間層42で隔てられて強磁性結合した多層膜13aおよび13bからなり、中間層42はスピン拡散長が長い、銀、銅、クロム、金、バナジウム、チタン、ロジウム、タリウム、およびハフニウムからなる群から選ばれた少なくとも1種の元素を含有するのがよい。   The spin torque free layer 13 is composed of multilayer films 13a and 13b separated by an intermediate layer 42 and ferromagnetically coupled. The intermediate layer 42 has a long spin diffusion length, such as silver, copper, chromium, gold, vanadium, titanium, It is preferable to contain at least one element selected from the group consisting of rhodium, thallium, and hafnium.

このように構成されたMTJ素子40では、MTJ素子30と同様、磁化自由層(記憶層)5を反転させる際の過渡特性が、実用上スピン偏極電流が直接作用しないスピントルクフリー層13との磁気的結合によって改善され、磁化自由層(記憶層)5は速やか、かつ確実に反転状態に導かれる。   In the MTJ element 40 configured as described above, as in the MTJ element 30, the transient characteristics when the magnetization free layer (memory layer) 5 is inverted are substantially the same as the spin torque free layer 13 in which the spin-polarized current does not act directly. Thus, the magnetization free layer (storage layer) 5 is promptly and reliably guided to the inverted state.

MTJ素子40では、磁化自由層(記憶層)5の磁化やスピントルクフリー層の磁化の動的挙動を改善できるので、MTJ素子30で得られる効果をさらに改善することができ、スピン注入磁化反転MTJ素子40からなるMRAMの、より一層の低消費電流化および高速化が可能になる。また、同様の改善方法を、実施の形態1のMTJ素子10または実施の形態2のMTJ素子20に適用してもよい。   In the MTJ element 40, since the dynamic behavior of the magnetization of the magnetization free layer (storage layer) 5 and the magnetization of the spin torque free layer can be improved, the effect obtained by the MTJ element 30 can be further improved, and the spin injection magnetization reversal is achieved. The MRAM including the MTJ element 40 can further reduce current consumption and speed. A similar improvement method may be applied to the MTJ element 10 of the first embodiment or the MTJ element 20 of the second embodiment.

以上、本発明を実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれらの例に何ら限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることは言うまでもない。   As mentioned above, although this invention was demonstrated based on embodiment, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to these examples at all, and can be suitably changed in the range which does not deviate from the main point of invention.

本発明によると、書き込み時の過渡特性を改善して、書き込みの失敗が少なく、書き込み電流密度のしきい値が小さく、高集積化、高速化、および低消費電力化が可能なスピン注入磁化反転型MTJ素子及びそれを用いた磁気メモリ装置を提供し、その実用化に貢献できる。   According to the present invention, the spin injection magnetization reversal improves the transient characteristics at the time of writing, reduces the number of write failures, the threshold value of the write current density is small, enables high integration, high speed, and low power consumption. A type MTJ element and a magnetic memory device using the same can be provided and contributed to its practical use.

本発明の実施の形態1に基づく、スピン注入磁化反転MTJ素子からなるMRAMのメモリセルの構造を示す部分断面図である。1 is a partial cross-sectional view showing a structure of a memory cell of an MRAM composed of a spin-injection magnetization switching MTJ element based on Embodiment 1 of the present invention. 同、複数個のメモリセルからなるMRAMに対し、書き込みテストを行った結果の一例を示すグラフである。4 is a graph showing an example of a result of a write test performed on an MRAM composed of a plurality of memory cells. 同、スピン注入MTJ素子の書き込み過渡特性を示すグラフである。4 is a graph showing the write transient characteristics of the spin injection MTJ element. 本発明の実施の形態2に基づく、スピン注入磁化反転MTJ素子からなるMRAMのメモリセルの構造を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view which shows the structure of the memory cell of MRAM which consists of a spin injection magnetization reversal MTJ element based on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態3に基づく、スピン注入磁化反転MTJ素子からなるMRAMのメモリセルの構造を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view which shows the structure of the memory cell of MRAM which consists of a spin injection magnetization reversal MTJ element based on Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態4に基づく、スピン注入磁化反転MTJ素子からなるMRAMのメモリセルの構造を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view which shows the structure of the memory cell of MRAM which consists of a spin injection magnetization reversal MTJ element based on Embodiment 4 of this invention. MTJ素子の基本構造と、その記憶情報の読み出し動作を示す説明図(a)、および、MTJ素子からなるMRAMのメモリセルの構造の一例を示す部分斜視図(b)である。FIG. 2 is an explanatory diagram (a) showing a basic structure of an MTJ element, a read operation of stored information, and a partial perspective view (b) showing an example of a structure of a memory cell of an MRAM comprising an MTJ element. 後述の特許文献3に示されている、スピン注入磁化反転MTJ素子からなるMRAMのメモリセルの構造を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view which shows the structure of the memory cell of MRAM which consists of a spin injection magnetization reversal MTJ element shown by below-mentioned patent document 3. FIG. 本発明者が、複数個のメモリセルからなる従来のスピン注入磁化反転MRAMに対し、書き込みテストを行った結果の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the result of which the inventor performed the write test with respect to the conventional spin transfer magnetization reversal MRAM which consists of a plurality of memory cells.

符号の説明Explanation of symbols

1…下地層、2…反強磁性層、3a…固定磁化層、3b…中間層、3c…参照磁化層、
4…トンネルバリア層、5、5a、5b…磁化自由層(記憶層)、6…キャップ層、
10…スピン注入磁化反転MTJ素子、11…引き出し導電層、12…キャップ層、
13、13a、13b…スピントルクフリー層、14…キャップ層、15…接続プラグ、
20…スピン注入磁化反転MTJ素子、21…バイパス導電体、
30…スピン注入磁化反転MTJ素子、31…キャップ層、32…スピンシンク層、
33…キャップ層、40…スピン注入磁化反転MTJ素子、41、42…中間層、
50…選択用トランジスタ、51…半導体基板、51a…ウエル領域、
52…ゲート絶縁膜、53…ドレイン電極、54…ドレイン領域、55…ゲート電極、
56…ソース領域、57…ソース電極、61…ビット線、62…行配線、
100…MTJ素子、103…磁化固定層、104…トンネルバリア層、
105…磁化自由層(記憶層)、106…引き出し電極層、
107…読み出し用接続プラグ、110…選択用トランジスタ、111…半導体基板、
114…ドレイン領域、115…ゲート電極(読み出し用ワード線)、
116…ソース領域、121…書き込み用ビット線、122…書き込み用ワード線、
123…読み出し用ビット線、124センス線、200…スピン注入磁化反転MTJ素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Underlayer, 2 ... Antiferromagnetic layer, 3a ... Fixed magnetization layer, 3b ... Intermediate layer, 3c ... Reference magnetization layer,
4 ... Tunnel barrier layer, 5, 5a, 5b ... Magnetization free layer (memory layer), 6 ... Cap layer,
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Spin injection magnetization reversal MTJ element, 11 ... Lead-out conductive layer, 12 ... Cap layer,
13, 13a, 13b ... spin torque free layer, 14 ... cap layer, 15 ... connection plug,
20 ... Spin injection magnetization reversal MTJ element, 21 ... Bypass conductor,
30 ... Spin injection magnetization reversal MTJ element, 31 ... Cap layer, 32 ... Spin sink layer,
33 ... cap layer, 40 ... spin injection magnetization reversal MTJ element, 41, 42 ... intermediate layer,
50 ... selection transistor, 51 ... semiconductor substrate, 51a ... well region,
52 ... Gate insulating film, 53 ... Drain electrode, 54 ... Drain region, 55 ... Gate electrode,
56 ... Source region, 57 ... Source electrode, 61 ... Bit line, 62 ... Row wiring,
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... MTJ element, 103 ... Magnetization fixed layer, 104 ... Tunnel barrier layer,
105 ... free magnetization layer (memory layer), 106 ... extraction electrode layer,
107: Read connection plug, 110: Selection transistor, 111: Semiconductor substrate,
114... Drain region, 115... Gate electrode (read word line),
116: Source region, 121: Write bit line, 122: Write word line,
123: Read bit line, 124 sense line, 200: Spin injection magnetization reversal MTJ element

Claims (14)

強磁性導体からなり、磁化方向の変化が可能で、磁化方向を情報として記憶する磁化自由層と;強磁性導体からなり、磁化方向が固定されている磁化固定層と;を有し、これらの強磁性導体層を貫流するスピン偏極電流によって前記磁化自由層を所定方向に磁化して情報を書き込み、書き込まれた情報を磁気抵抗効果を利用して読み出すように構成された磁気メモリ素子において、
前記磁化自由層と磁気的に結合し、前記磁化自由層の磁化方向の反転の際に生じる磁 化方向の変動を抑制する磁化結合体が設けられ、
前記スピン偏極電流が前記磁化結合体に流入するのを抑えるように構成されている
ことを特徴とする、磁気メモリ素子。
A magnetization free layer that can change the magnetization direction and stores the magnetization direction as information; and a magnetization fixed layer that consists of a ferromagnetic conductor and the magnetization direction is fixed. In a magnetic memory element configured to write information by magnetizing the magnetization free layer in a predetermined direction by a spin-polarized current flowing through the ferromagnetic conductor layer, and to read the written information using a magnetoresistive effect,
A magnetic coupling body that is magnetically coupled to the magnetization free layer and suppresses fluctuations in the magnetization direction that occurs when the magnetization direction of the magnetization free layer is reversed;
A magnetic memory element configured to suppress the spin-polarized current from flowing into the magnetic coupling body.
前記磁化自由層と前記磁化結合体との間に引き出し導電層が設けられ、この引き出し導電層が前記スピン偏極電流を供給する制御回路に電気的に接続されている、請求項1に記載した磁気メモリ素子。   The extraction conductive layer is provided between the magnetization free layer and the magnetic coupling body, and the extraction conductive layer is electrically connected to a control circuit that supplies the spin-polarized current. Magnetic memory element. バイパス導電部材が前記磁化結合体に対して並列に設けられ、この並列導電路が、前記スピン偏極電流を供給する制御回路と前記磁化自由層との間に電気的に接続され、前記スピン偏極電流が主として前記バイパス導電部材を通って流れるように構成されている、請求項1に記載した磁気メモリ素子。   A bypass conductive member is provided in parallel to the magnetic coupling body, and the parallel conductive path is electrically connected between the control circuit for supplying the spin-polarized current and the magnetization free layer, and the spin-polarized member is provided. The magnetic memory element according to claim 1, wherein a pole current is configured to flow mainly through the bypass conductive member. 前記磁化結合体が比抵抗値が100μΩcm以上の磁性体からなり、前記バイパス導電部材が比抵抗値100μΩcm以下の導電体からなる、請求項3に記載した磁気メモリ素子。   The magnetic memory element according to claim 3, wherein the magnetic coupling body is made of a magnetic material having a specific resistance value of 100 μΩcm or more, and the bypass conductive member is made of a conductor having a specific resistance value of 100 μΩcm or less. 前記磁化自由層と前記磁化結合体との間に、前記スピン偏極電流のスピン偏極を解消するスピンシンク層と、キャップ層とが、積層されて設けられている、請求項1に記載した磁気メモリ素子。   The spin sink layer that eliminates the spin polarization of the spin-polarized current and a cap layer are provided between the magnetization free layer and the magnetic coupling body in a stacked manner. Magnetic memory element. 前記スピンシンク層が、スピン拡散長が短い、オスミウムOs、イリジウムIr、レニウムRe、白金Pt、ルテニウムRu、タングステンW、ニオブNb、およびジルコニウムZrからなる群から選ばれた少なくとも1種の元素を含有する、請求項5に記載した磁気メモリ素子。   The spin sink layer contains at least one element selected from the group consisting of osmium Os, iridium Ir, rhenium Re, platinum Pt, ruthenium Ru, tungsten W, niobium Nb, and zirconium Zr having a short spin diffusion length. The magnetic memory element according to claim 5. 前記キャップ層が、スピン拡散長が長い、銀Ag、銅Cu、クロムCr、金Au、バナジウムV、チタンTi、ロジウムRh、タリウムTa、ハフニウムHf、コバルトCo、鉄Fe、ニッケルNi、およびマンガンMnからなる群から選ばれた少なくとも1種の元素を含有する、請求項5に記載した磁気メモリ素子。   The cap layer has a long spin diffusion length, such as silver Ag, copper Cu, chromium Cr, gold Au, vanadium V, titanium Ti, rhodium Rh, thallium Ta, hafnium Hf, cobalt Co, iron Fe, nickel Ni, and manganese Mn. The magnetic memory element according to claim 5, comprising at least one element selected from the group consisting of: 前記磁化結合体が、コバルト、ニッケル、鉄、およびマンガンからなる群から選ばれた少なくとも1種の元素を含有する、請求項1に記載した磁気メモリ素子。   The magnetic memory element according to claim 1, wherein the magnetic coupling body contains at least one element selected from the group consisting of cobalt, nickel, iron, and manganese. 前記磁化自由層が、中間層で隔てられ、強磁性結合した多層膜からなり、前記中間層はスピン拡散長が長い、銀、銅、クロム、金、バナジウム、チタン、ロジウム、タリウム、およびハフニウムからなる群から選ばれた少なくとも1種の元素を含有する、請求項1に記載した磁気メモリ素子。   The magnetization free layer is formed of a multilayer film which is separated by an intermediate layer and ferromagnetically coupled, and the intermediate layer is made of silver, copper, chromium, gold, vanadium, titanium, rhodium, thallium, and hafnium having a long spin diffusion length. The magnetic memory element according to claim 1, comprising at least one element selected from the group consisting of: 前記磁化結合体が、中間層で隔てられ、強磁性結合した多層膜からなり、前記中間層はスピン拡散長が長い、銀、銅、クロム、金、バナジウム、チタン、ロジウム、タリウム、およびハフニウムからなる群から選ばれた少なくとも1種の元素を含有する、請求項1に記載した磁気メモリ素子。   The magnetic coupling body is made of a multilayer film that is separated by an intermediate layer and ferromagnetically coupled, and the intermediate layer is made of silver, copper, chromium, gold, vanadium, titanium, rhodium, thallium, and hafnium having a long spin diffusion length. The magnetic memory element according to claim 1, comprising at least one element selected from the group consisting of: 前記磁化固定層と前記磁化自由層とが、薄い絶縁層であるトンネルバリア層を間に挟んで積層され、トンネル磁気抵抗効果素子として構成されており、前記トンネルバリア層を流れるトンネル電流によって情報の書き込み及び読み出しが行われる、請求項1に記載した磁気メモリ素子。   The magnetization fixed layer and the magnetization free layer are stacked with a tunnel barrier layer, which is a thin insulating layer, sandwiched therebetween, and configured as a tunnel magnetoresistive element, and information is transferred by a tunnel current flowing through the tunnel barrier layer. The magnetic memory element according to claim 1, wherein writing and reading are performed. 請求項1〜11のいずれか1項に記載した磁気メモリ素子からなるメモリ部を有し、所定の磁気メモリ素子に対して情報の書き込み及び/又は読み出しを行うための配線及び制御回路を備えた、磁気メモリ装置。   It has a memory part which consists of a magnetic memory element given in any 1 paragraph of Claims 1-11, and was provided with wiring and a control circuit for writing in and / or reading out information to a predetermined magnetic memory element , Magnetic memory device. 磁気ランダムアクセスメモリとして構成された、請求項12に記載した磁気メモリ装置。   The magnetic memory device according to claim 12, which is configured as a magnetic random access memory. 第1の行配線と列配線とがマトリックス状に配置され、それらの各交点の位置に前記磁気メモリ素子と、この磁気メモリ素子を選択するための選択用トランジスタとが配置されて、メモリセルが形成されており、
所定のメモリセルに対する情報の書き込み又は読み出しに際して、
このメモリセルが配置されている行の第1の行配線に選択信号が印加されて、その行 のすべての選択用トランジスタがON状態になり、
このメモリセルが配置されている列の列配線に書き込み電圧又は読み出し電圧が印加 され、
以上の結果、このメモリセルの磁気メモリ素子および選択用トランジスタを通って、 列配線と第2の行配線との間に流れる電流によって、書き込み又は読み出しが行われる 、
請求項13に記載した磁気メモリ装置。
First row wirings and column wirings are arranged in a matrix, and the magnetic memory elements and selection transistors for selecting the magnetic memory elements are arranged at the positions of their respective intersections. Formed,
When writing or reading information to or from a predetermined memory cell,
When a selection signal is applied to the first row wiring of the row in which this memory cell is arranged, all the selection transistors in that row are turned on,
A write voltage or a read voltage is applied to the column wiring of the column in which the memory cell is arranged,
As a result of the above, writing or reading is performed by the current flowing between the column wiring and the second row wiring through the magnetic memory element and the selection transistor of the memory cell.
The magnetic memory device according to claim 13.
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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8592882B2 (en) 2011-01-21 2013-11-26 Kabushiki Kaisha Toshiba Magnetic random access memory and manufacturing method thereof
JP2013243336A (en) * 2012-01-30 2013-12-05 Quantu Mag Consultancy Co Ltd Mtj element, manufacturing method of the same and mram device
US8879206B2 (en) 2012-05-25 2014-11-04 Kabushiki Kaisha Toshiba Magnetic recording head with spin torque oscillator
US9030777B2 (en) 2012-04-17 2015-05-12 Hitachi, Ltd. Microwave assisted magnetic recording head having spin torque oscillator, and magnetic recording apparatus
US9036406B2 (en) 2012-06-12 2015-05-19 Samsung Electronics Co., Ltd. Magneto-resistive memory device including source line voltage generator
JP2016081550A (en) * 2014-10-22 2016-05-16 株式会社東芝 High frequency assisted magnetic head and magnetic record reproducing apparatus
JP6411005B1 (en) * 2017-11-08 2018-10-24 Tdk株式会社 Tunnel magnetoresistive element, magnetic memory, and built-in memory

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004288844A (en) * 2003-03-20 2004-10-14 Sony Corp Magnetic memory element and magnetic storage device using same
JP2005116888A (en) * 2003-10-09 2005-04-28 Toshiba Corp Magnetic memory
JP2008171862A (en) * 2007-01-09 2008-07-24 Nec Corp Magnetoresistive effect element and mram

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004288844A (en) * 2003-03-20 2004-10-14 Sony Corp Magnetic memory element and magnetic storage device using same
JP2005116888A (en) * 2003-10-09 2005-04-28 Toshiba Corp Magnetic memory
JP2008171862A (en) * 2007-01-09 2008-07-24 Nec Corp Magnetoresistive effect element and mram

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8592882B2 (en) 2011-01-21 2013-11-26 Kabushiki Kaisha Toshiba Magnetic random access memory and manufacturing method thereof
JP2013243336A (en) * 2012-01-30 2013-12-05 Quantu Mag Consultancy Co Ltd Mtj element, manufacturing method of the same and mram device
US9030777B2 (en) 2012-04-17 2015-05-12 Hitachi, Ltd. Microwave assisted magnetic recording head having spin torque oscillator, and magnetic recording apparatus
US8879206B2 (en) 2012-05-25 2014-11-04 Kabushiki Kaisha Toshiba Magnetic recording head with spin torque oscillator
US9036406B2 (en) 2012-06-12 2015-05-19 Samsung Electronics Co., Ltd. Magneto-resistive memory device including source line voltage generator
JP2016081550A (en) * 2014-10-22 2016-05-16 株式会社東芝 High frequency assisted magnetic head and magnetic record reproducing apparatus
JP6411005B1 (en) * 2017-11-08 2018-10-24 Tdk株式会社 Tunnel magnetoresistive element, magnetic memory, and built-in memory
WO2019092816A1 (en) * 2017-11-08 2019-05-16 Tdk株式会社 Tunnel magnetoresistive effect element, magnetic memory, and built-in memory

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