JP2010212342A - Magnetic memory using voltage induced magnetization reversal, and method of manufacturing the same - Google Patents

Magnetic memory using voltage induced magnetization reversal, and method of manufacturing the same Download PDF

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優 白土
Ryoichi Nakatani
亮一 中谷
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a magnetic memory capable of eliminating the need of a high current density for magnetization reversal, suppressing the decline of the thermal stability of magnetization and achieving a high recording density. <P>SOLUTION: In the magnetic memory, the movable layer of a magnetic element is the 2-layer structure of a ferromagnetic layer and an oxide antiferromagnetic layer having an electromagnetic effect, and voltage induced magnetization reversal is used as an information input system. The method of manufacturing the magnetic memory using the voltage induced magnetization reversal as the information input system includes a Cr layer formation step of epitaxially growing and forming a threefold symmetry Cr(110) layer on an Au(111) layer and a Cr layer formation step of oxidizing the formed Cr(110) layer and forming a threefold symmetry Cr<SB>2</SB>O<SB>3</SB>(0001) layer as a method of forming the oxide antiferromagnetic layer. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリとその製造方法に関し、特に磁性素子の可動層が強磁性体層と電気磁気効果を有する酸化物反強磁性体層との2層構造の電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリとその製造方法に関する。   The present invention relates to a magnetic memory using voltage-induced magnetization reversal and a method for manufacturing the same, and more particularly to a voltage induction of a two-layer structure in which a movable layer of a magnetic element is a ferromagnetic layer and an oxide antiferromagnetic layer having an electromagnetic effect. The present invention relates to a magnetic memory using magnetization reversal and a manufacturing method thereof.

磁気メモリは、上下の強磁性体の間に絶縁体を挟み込んだ構造の磁性素子を有し、上下の強磁性体の磁化の方向が平行(同じ)の場合と反平行(逆)の場合では、絶縁体のトンネル電流(トンネル抵抗)が相違することを利用したものであり、不揮発性、書換え耐性、高速応答性等に優れている。このため、様々な分野に広く用いられている。   A magnetic memory has a magnetic element having an insulator sandwiched between upper and lower ferromagnets, and the magnetization directions of the upper and lower ferromagnets are parallel (same) and antiparallel (reverse). This utilizes the fact that the tunnel current (tunnel resistance) of the insulator is different, and is excellent in non-volatility, rewrite resistance, high-speed response, and the like. For this reason, it is widely used in various fields.

従来の磁気メモリへの書込み(情報の入力)は、例えば上方に横方向にビット線を、下方に縦方向に書込み用のワード線(以下、「ワード線」と略記する)を、いずれも等間隔で多数配置し、さらに上方から見てワード線とビット線が交差する箇所に磁性素子を配置し、ワード線とビット線に電気を流し、発生した磁場(誘導磁場)により、下方の強磁性体の磁化の方向を上方の強磁性体と平行にしたり、反平行にしたりすることによりなされている。   For writing (inputting information) to a conventional magnetic memory, for example, a bit line in the horizontal direction upward and a word line for writing in the vertical direction (hereinafter abbreviated as “word line”) are all used. Many magnetic elements are arranged at intervals, and a magnetic element is arranged at the intersection of the word line and the bit line when viewed from above, and electricity is passed through the word line and the bit line. This is done by making the magnetization direction of the body parallel or anti-parallel to the upper ferromagnetic body.

このような従来の磁気メモリを用いたMRAM(Magnetic Random Access Memory:磁気ランダムアクセスメモリ)の場合、民生品としては、4Mb程度、記録密度で1kbit/inch程度を限度としていた。しかし、近年の磁気メモリの記憶容量の増大、小型化に対するユーザの要求は益々厳しくなってきており、1Tbit/inch以上の記録密度を有する磁気メモリを実現することを目指して様々な研究、開発がなされている。 In the case of such an MRAM (Magnetic Random Access Memory) using a conventional magnetic memory, consumer products are limited to about 4 Mb and a recording density of about 1 kbit / inch 2 . However, the demands of users for increasing the storage capacity and miniaturization of magnetic memory in recent years have become increasingly severe, and various research and development aimed at realizing a magnetic memory having a recording density of 1 Tbit / inch 2 or more. Has been made.

このような1Tbit/inch以上の記録密度を実現するためには、素子の大きさを10nm×10nm程度とする必要があり、これに伴ってビット線、ワード線も細くする必要がある。しかし、従来の磁気メモリにおいては、素子の大きさが小さくなると、磁化の方向を反転(磁化反転)させるために必要な誘導磁場を大きくする必要があり、大きな電流密度を必要とする。例えば、前記の10nm×10nm程度の大きさの素子においては、100Oeの書込み磁場を発生させるために、1.6×10A/cmもの電流密度が必要となる。 In order to realize such a recording density of 1 Tbit / inch 2 or more, the element size needs to be about 10 nm × 10 nm, and accordingly, the bit line and the word line also need to be thinned. However, in the conventional magnetic memory, when the element size is reduced, it is necessary to increase the induction magnetic field necessary for reversing the magnetization direction (magnetization reversal), and a large current density is required. For example, in the element having a size of about 10 nm × 10 nm, a current density of 1.6 × 10 8 A / cm 2 is required to generate a write magnetic field of 100 Oe.

しかし、このような大きな電流密度は、書込み時のビット線やワード線の許容限界を超えているため、前記した100Oeの書込み磁場を発生させることができず、現状では、1Tbit/inch以上の高い記録密度を得ることが困難であった。 However, since such a large current density exceeds the allowable limit of the bit line and the word line at the time of writing, the above-described 100 Oe write magnetic field cannot be generated, and at present, it is 1 Tbit / inch 2 or more. It was difficult to obtain a high recording density.

そこで、従来の誘導磁場による磁化反転に代わって、スピン注入磁化反転(特許文献1、非特許文献1)、マイクロ波誘導磁化反転(非特許文献2)等の技術を用いることが提案されている。   Thus, it has been proposed to use techniques such as spin injection magnetization reversal (Patent Document 1, Non-Patent Document 1), microwave induced magnetization reversal (Non-Patent Document 2), etc., instead of the conventional magnetization reversal by an induced magnetic field. .

特開2004−186274号公報JP 2004-186274 A

J.Hayakawa et al. IEEE Transaction on Magnetics44,1962(2008)J. et al. Hayaka et al. IEEE Transactions on Magnetics 44, 1962 (2008) S.Okamoto et al. Applied Physics Letters93,10256(2008)S. Okamoto et al. Applied Physics Letters 93, 10256 (2008)

しかしながら、スピン注入磁化反転においても、スピン偏極電流による磁化反転のためには、ワード線やビット線に10A/cm以上の大きな密度の電流を流す必要があるため、高い記録密度を得ることは難しい。 However, even in the spin injection magnetization reversal, a large recording current of 10 6 A / cm 2 or more must be passed through the word line and the bit line in order to reverse the magnetization by the spin polarization current. Difficult to get.

また、マイクロ波誘導磁化反転においても、マイクロ波による交流磁場を発生させるためには、従来と同様の誘導電流を必要とするため、やはり高い記録密度を得ることは難しい。   Also, in microwave induced magnetization reversal, in order to generate an alternating magnetic field by microwaves, an induced current similar to that in the prior art is required, so that it is difficult to obtain a high recording density.

また、たとえかかる高記録密度の磁気メモリを製造できたとしても、高記録密度化に伴う磁性素子の小寸法化のために磁化の熱安定性が低下することも指摘されている。   It has also been pointed out that even if a magnetic memory with such a high recording density can be manufactured, the thermal stability of magnetization decreases due to the reduction in the size of the magnetic element accompanying the increase in recording density.

このため、磁化反転に高い電流密度を必要とせず、磁化の熱安定性の低下を抑制して、高い記録密度が可能な磁気メモリの開発が望まれていた。   For this reason, it has been desired to develop a magnetic memory that does not require a high current density for magnetization reversal and suppresses a decrease in the thermal stability of the magnetization to enable a high recording density.

本発明者は、以上の課題を解決することを目的として鋭意研究を行なった結果、磁性素子の可動層が強磁性体層と電気磁気効果を有する酸化物反強磁性体層の2層構造であり、酸化物反強磁性体層の電圧誘起磁化反転を利用して入力を行ない、またナノ磁性体であるのにもかかわらず磁化の方向の熱安定性が優れた磁気メモリとその製造方法を発明したものである。以下、各請求項の発明を説明する。   As a result of intensive studies aimed at solving the above problems, the present inventor has found that the movable layer of the magnetic element has a two-layer structure of a ferromagnetic layer and an oxide antiferromagnetic layer having an electromagnetic effect. There is a magnetic memory that uses voltage-induced magnetization reversal of an oxide antiferromagnetic layer for input, and has excellent thermal stability in the direction of magnetization despite being a nanomagnetic material, and a method for manufacturing the same Invented. The invention of each claim will be described below.

請求項1に記載の発明は、
磁性素子の可動層が強磁性体層と電気磁気効果を有する酸化物反強磁性体層の2層構造であり、
情報入力方式として電圧誘起磁化反転を用いることを特徴とする電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリである。
The invention described in claim 1
The movable layer of the magnetic element has a two-layer structure of a ferromagnetic layer and an oxide antiferromagnetic layer having an electromagnetic effect,
A magnetic memory using voltage-induced magnetization reversal, characterized in that voltage-induced magnetization reversal is used as an information input method.

本請求項の発明においては、従来技術である電流を用いた情報の入力とは異なり、可動層が強磁性体層と電気磁気効果を有する酸化物反強磁性体層の2層構造である磁性素子を用い、電圧をかけて酸化物反強磁性体層にスピンの反転を生じさせ(電圧誘起磁化反転)、さらに、酸化物反強磁性体層と強磁性体層との界面の磁気結合(交換磁気異方性)により、強磁性体層の磁界をも反転させて可動層の磁界の反転、即ち情報の入力を行なう。   In the invention of this claim, unlike the conventional input of information using current, the movable layer has a two-layer structure of a ferromagnetic layer and an oxide antiferromagnetic layer having an electromagnetic effect. Using an element, a voltage is applied to cause spin reversal in the oxide antiferromagnetic layer (voltage-induced magnetization reversal), and magnetic coupling at the interface between the oxide antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer ( By switching magnetic anisotropy), the magnetic field of the ferromagnetic layer is also reversed, and the magnetic field of the movable layer is reversed, that is, information is input.

このように、本請求項の発明においては、情報の入力に際して、従来技術のように、ビット線、ワード線等に大きな電流密度の電気を流す必要がないため、消費電力を大幅に低減することが可能となると共に、10nm×10nm程度の大きさの素子であっても充分情報の入力が可能となり、1Tbit/inch以上の高い記録密度の磁気メモリを提供することができる。 As described above, according to the present invention, when inputting information, unlike the prior art, it is not necessary to flow electricity with a large current density to a bit line, a word line, etc., so that power consumption can be greatly reduced. In addition, even an element having a size of about 10 nm × 10 nm can sufficiently input information, and a magnetic memory with a high recording density of 1 Tbit / inch 2 or more can be provided.

また、酸化物反強磁性体層と強磁性体層との界面での磁気結合を用いることにより、熱安定性の低下を抑制することができ、ナノサイズの磁性体であっても記録の保持性が優れた磁気メモリを提供することができる。また、高速応答性に優れた(約10ns)磁気メモリを提供することができる。   In addition, the use of magnetic coupling at the interface between the oxide antiferromagnetic material layer and the ferromagnetic material layer can suppress a decrease in thermal stability, and even a nano-sized magnetic material can maintain recording. A magnetic memory with excellent performance can be provided. In addition, a magnetic memory excellent in high-speed response (about 10 ns) can be provided.

さらに、本請求項の発明においては、磁化反転に必要な電圧は電界強度(V/m)で決まるため、素子サイズの低下に伴い必要電圧も小さくなるため、より省エネルギーが可能となる。具体的には、従来技術においては数百Vの電圧が必要であったが、本発明においては数mVの電圧で充分である。   Furthermore, in the present invention, the voltage required for the magnetization reversal is determined by the electric field strength (V / m), so that the necessary voltage is reduced as the element size is reduced, so that further energy saving is possible. Specifically, in the prior art, a voltage of several hundred volts was necessary, but in the present invention, a voltage of several mV is sufficient.

以上のような大きな効果は、1Tbit/inch以上の高い記録密度の磁気メモリだけでなく、1Gbit/inch以上の記録密度であれば充分に発揮することができる。 The great effects as described above can be exhibited sufficiently not only with a magnetic memory with a high recording density of 1 Tbit / inch 2 or more, but with a recording density of 1 Gbit / inch 2 or more.

そして、本発明の磁気メモリをMRAMに搭載した場合、上記した各効果に加えて、MRAMが本質的に有する高耐久性により、民生市場へのMRAMの普及を図ることが可能となる。具体的には、例えば、携帯電話の搭載メモリとしてFeRAMとの代替が期待できる。また、高速応答性の面から、自動車などに搭載した場合、衝突安全性などの向上により寄与することが期待できる。また、本発明の磁気メモリは、ハードディスク装置(HDD)等にも好適に用いることができ、小サイズでありながら高記憶容量のハードディスク装置を提供することができる。   And when the magnetic memory of this invention is mounted in MRAM, in addition to each effect mentioned above, it becomes possible to aim at the spread of MRAM to a consumer market by the high durability which MRAM inherently has. Specifically, for example, an alternative to FeRAM can be expected as a memory mounted on a mobile phone. From the viewpoint of high-speed response, when mounted on an automobile or the like, it can be expected to contribute by improving collision safety. The magnetic memory of the present invention can also be suitably used for a hard disk device (HDD) or the like, and can provide a hard disk device having a small storage size and a high storage capacity.

請求項2に記載の発明は、
前記酸化物反強磁性体層は、
α−Crまたはコランダム構造のYMnOであることを特徴とする請求項1に記載の電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリである。
The invention described in claim 2
The oxide antiferromagnetic layer is
The magnetic memory using voltage-induced magnetization reversal according to claim 1, wherein the magnetic memory is α-Cr 2 O 3 or YMnO 3 having a corundum structure.

本請求項の発明においては、酸化物反強磁性体層として、α−Cr(コランダム構造のCr)やコランダム構造のYMnOを用いているため、小さな電界で電圧誘起磁化反転を生じさせることができ好ましい。 In the present invention, α-Cr 2 O 3 (corundum-structured Cr 2 O 3 ) or corundum-structured YMnO 3 is used as the oxide antiferromagnetic material layer. Inversion can be caused, which is preferable.

即ち、コランダム構造とすることにより、電気磁気効果を利用することが可能となるため、小さな電界で電場誘起磁化反転を生じさせることができる。これらの内でも、α−Crが好ましい。 That is, by using the corundum structure, it is possible to use the electromagnetic effect, so that electric field-induced magnetization reversal can be generated with a small electric field. Among these, α-Cr 2 O 3 is preferable.

請求項3に記載の発明は、
前記α−Crは、
Au層の上に形成されていることを特徴とする請求項2に記載の電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリである。
The invention according to claim 3
The α-Cr 2 O 3 is
3. The magnetic memory using voltage induced magnetization reversal according to claim 2, wherein the magnetic memory is formed on an Au layer.

前記したように、小さな電界で電場誘起磁化反転を生じさせるためには、コランダム構造の酸化物反強磁性体層が好ましい。Au層の上に形成されたCrは、コランダム構造のCr(α−Cr)として容易にかつ安定して形成されているため、小さな電界で電場誘起磁化反転を生じる磁気メモリを容易に提供することができる。また、Auを用いているため、化学的に安定なだけでなく、データの読出し時の電気抵抗も小さくなり好ましい。 As described above, an oxide antiferromagnetic layer having a corundum structure is preferable in order to cause field-induced magnetization reversal with a small electric field. Since Cr 2 O 3 formed on the Au layer is easily and stably formed as Cr 2 O 3 (α-Cr 2 O 3 ) having a corundum structure, electric field-induced magnetization reversal can be performed with a small electric field. The resulting magnetic memory can be easily provided. Further, since Au is used, it is preferable because it is not only chemically stable but also has a small electric resistance when reading data.

なお、Au層は、原則としてエピタキシャル成長により細密に形成されたAu(111)層であることが好ましく、この場合には、隣接する3個のAu原子に接してCr原子が位置することとなる。   In principle, the Au layer is preferably a finely formed Au (111) layer by epitaxial growth. In this case, Cr atoms are located in contact with three adjacent Au atoms.

また、磁気メモリの記録密度、サイズにもよるが、ナノ磁性素子の場合には、Au層の厚さはおよそ20nm程度であることが好ましい。   Further, although depending on the recording density and size of the magnetic memory, in the case of a nanomagnetic element, the thickness of the Au layer is preferably about 20 nm.

請求項4に記載の発明は、
前記Au層は、
Ag層の上に形成されていることを特徴とする請求項3に記載の電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリである。
The invention according to claim 4
The Au layer is
4. The magnetic memory using voltage-induced magnetization reversal according to claim 3, wherein the magnetic memory is formed on an Ag layer.

前記したように、小さな電界で電場誘起磁化反転を生じさせるためには、コランダム構造のα−Crが好ましく、Au層の上であれば、α−Crを容易にかつ安定して形成させることができる。そして、このようなAu層は、Ag層の上に容易に形成することができ、その結果、コランダム構造のCr(α−Cr)を容易にかつ安定して形成させることが可能となる。また、Agを用いているため、化学的に比較的安定であり、データの読出し時の電気抵抗も小さくなり好ましい。 As described above, α-Cr 2 O 3 having a corundum structure is preferable for causing electric field-induced magnetization reversal with a small electric field, and α-Cr 2 O 3 can be easily and stably formed on the Au layer. Can be formed. Such an Au layer can be easily formed on the Ag layer, and as a result, Cr 2 O 3 (α-Cr 2 O 3 ) having a corundum structure can be easily and stably formed. Is possible. Further, since Ag is used, it is preferable because it is chemically stable and the electric resistance at the time of reading data becomes small.

磁気メモリの記録密度、サイズにもよるが、ナノ磁性素子の場合には、Ag層の厚さはAgの格子歪を緩和させ、表面の平坦性を確保する面からおよそ100nm程度であることが好ましい。   Although depending on the recording density and size of the magnetic memory, in the case of a nanomagnetic element, the thickness of the Ag layer is about 100 nm from the aspect of relaxing the lattice distortion of Ag and ensuring the flatness of the surface. preferable.

請求項5に記載の発明は、
前記Ag層は、
シリコン層の上に形成されていることを特徴とする請求項4に記載の電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリである。
The invention described in claim 5
The Ag layer is
5. The magnetic memory using voltage-induced magnetization reversal according to claim 4, wherein the magnetic memory is formed on a silicon layer.

本請求項の発明においては、シリコン層の上にAg層を形成させているため、Ag層の形成が容易となり、これによりAu層の形成が容易となり、さらに、コランダム構造のCr(α−Cr)を容易にかつ安定して形成させることが可能となる。また、シリコンを用いているため、化学的に比較的安定であり好ましい。 In the present invention, since the Ag layer is formed on the silicon layer, the formation of the Ag layer is facilitated, whereby the formation of the Au layer is facilitated, and further, the Cr 2 O 3 (corundum structure) α-Cr 2 O 3 ) can be easily and stably formed. Further, since silicon is used, it is preferable because it is chemically relatively stable.

なお、Ag層が形成されるシリコン層の表面は、原則として7×7−Si(111)(ウッドの記法による標記)表面であることが好ましい。   Note that, in principle, the surface of the silicon layer on which the Ag layer is formed is preferably a 7 × 7-Si (111) (marked by Wood notation) surface.

請求項6に記載の発明は、
前記強磁性体層は、
Co層であることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリである。
The invention described in claim 6
The ferromagnetic layer is
6. The magnetic memory using voltage-induced magnetization reversal according to claim 1, wherein the magnetic memory is a Co layer.

本請求項の発明においては、強磁性を有するCoを強磁性体層として用いるため、薄くてもトンネル接合素子に充分な作用を及ぼし、またコランダム構造のCrとエピタキシャル成長し、さらに反強磁性体層のCrとの界面での磁気結合が良好であるためCrのスピンの変化を受けて自身の磁化の方向を変化させ易く、メモリ機能を発揮させる為の磁化の方向も安定する。 In the present invention, since Co having ferromagnetism is used as the ferromagnetic layer, it has a sufficient effect on the tunnel junction element even if it is thin, and it is epitaxially grown with a Cr 2 O 3 having a corundum structure, and further has an anti-strength. Since the magnetic coupling at the interface of the magnetic layer with Cr is good, it is easy to change the direction of its own magnetization in response to the change of the spin of Cr, and the direction of magnetization for realizing the memory function is also stable.

なお、Co層は、原則としてエピタキシャル成長により形成された、そして双晶を有するCo(111)層であることが好ましい。   The Co layer is preferably a Co (111) layer formed by epitaxial growth and having twins in principle.

請求項7に記載の発明は、
磁性素子の可動層が強磁性体層と電気磁気効果を有する酸化物反強磁性体層の2層構造であり、情報入力方式として電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリの製造方法であって、
前記酸化物反強磁性体層を形成する方法として、
Au(111)層の上に3回対称のCr(110)層をエピタキシャル成長させて形成するCr層形成ステップと、
前記形成されたCr(110)層を酸化させて3回対称のCr(0001)層を形成するCr層形成ステップと
を有していることを特徴とする電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリの製造方法である。
The invention described in claim 7
A movable layer of a magnetic element has a two-layer structure of a ferromagnetic layer and an oxide antiferromagnetic layer having an electromagnetic effect, and a method of manufacturing a magnetic memory using voltage-induced magnetization reversal as an information input method,
As a method of forming the oxide antiferromagnetic layer,
A Cr layer forming step of epitaxially growing a three-fold symmetric Cr (110) layer on the Au (111) layer;
And a Cr 2 O 3 layer forming step of oxidizing the formed Cr (110) layer to form a three-fold symmetric Cr 2 O 3 (0001) layer. Is a method of manufacturing a magnetic memory using

本請求項の発明においては、Au(111)層の上に3回対称のCr(110)層をエピタキシャル成長させて形成し、さらに形成されたCr(110)層を酸化させて3回対称のCr(0001)層を形成するため、請求項1に記載のナノサイズの磁性素子を、ひいては電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリを確実に製造することが可能となる。 In the present invention, a three-fold symmetric Cr (110) layer is formed on the Au (111) layer by epitaxial growth, and the formed Cr (110) layer is oxidized to form a three-fold symmetric Cr. Since the 2 O 3 (0001) layer is formed, it is possible to reliably manufacture the nano-sized magnetic element according to claim 1 and thus a magnetic memory using voltage-induced magnetization reversal.

これは、Au(111)層の上に3回対称のCr(110)層をエピタキシャル成長させて形成し、さらに形成されたCr(110)層を酸化させて3回対称のCr(0001)層を形成することにより、コランダム構造のCr(0001)(α−Cr(0001))を確実に形成させることが可能となるためである。 This is formed by epitaxially growing a three-fold symmetric Cr (110) layer on the Au (111) layer, and further oxidizing the formed Cr (110) layer to form a three-fold symmetric Cr 2 O 3 (0001). This is because it is possible to reliably form Cr 2 O 3 (0001) (α-Cr 2 O 3 (0001)) having a corundum structure.

なお、Cr(110)をエピタキシャル成長させる具体的手段としては、真空中、100℃でCrを分子線エピタキシー法等を用いて物理蒸着させる等の方法を採用することができる。   As a specific means for epitaxially growing Cr (110), a method such as physical vapor deposition of Cr using a molecular beam epitaxy method or the like at 100 ° C. in vacuum can be employed.

請求項8に記載の発明は、
前記Au(111)層を形成する方法として、
Ag(111)層の上にAu(111)層をエピタキシャル成長させて形成するAu(111)層形成ステップを有していることを特徴とする請求項7に記載の電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリの製造方法である。
The invention according to claim 8 provides:
As a method of forming the Au (111) layer,
The magnetism using voltage-induced magnetization reversal according to claim 7, further comprising an Au (111) layer forming step of epitaxially growing an Au (111) layer on the Ag (111) layer. A memory manufacturing method.

本請求項の発明においては、Ag(111)層の上にAu(111)層をエピタキシャル成長させて形成するため、請求項7に記載のAu(111)層を、ひいては請求項1や請求項3に記載のナノサイズの磁性素子を、さらには電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリを確実にまた容易に製造することが可能となる。   In the invention of this claim, since the Au (111) layer is formed by epitaxial growth on the Ag (111) layer, the Au (111) layer according to claim 7 is extended. In addition, it is possible to reliably and easily manufacture the nano-sized magnetic element described in 1) and a magnetic memory using voltage-induced magnetization reversal.

なお、Au(111)層の作成方法としては、分子線エピタキシー法等があり、具体的には「100nm−thick Ag(111)/7×7−Si(111)上でのエピタキシャル成長」 T.Kingetsu et al.,J.Appl.Phys.90、5104(2001).に記載されている。   As a method for forming the Au (111) layer, there is a molecular beam epitaxy method or the like, specifically, “epitaxial growth on 100 nm-thick Ag (111) / 7 × 7-Si (111)”. Kingetsu et al. , J .; Appl. Phys. 90, 5104 (2001). It is described in.

請求項9に記載の発明は、
前記Ag(111)層を形成する方法として、
7×7−Si(111)層の上にAg層を成膜した後、熱処理をするAg(111)層形成ステップを有していることを特徴とする請求項8に記載の電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリの製造方法である。
The invention according to claim 9 is:
As a method of forming the Ag (111) layer,
The voltage-induced magnetization reversal according to claim 8, further comprising an Ag (111) layer forming step of performing heat treatment after forming an Ag layer on the 7 × 7-Si (111) layer. Is a method of manufacturing a magnetic memory using

本請求項の発明においては、7×7−Si(111)層の上にAg層を成膜した後、熱処理をしてAg(111)層を形成するため、請求項8に記載のAg(111)層を、ひいては請求項1、請求項3、請求項4に記載のナノサイズの磁性素子を、さらには電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリを確実に製造することが可能となる。   In the present invention, since an Ag layer is formed on the 7 × 7-Si (111) layer and then heat-treated to form the Ag (111) layer, the Ag ( 111) layer, and thus, the nano-sized magnetic element according to claims 1, 3, and 4, and the magnetic memory using voltage-induced magnetization reversal can be reliably manufactured.

なお、Ag層の具体的な成膜方法としては、分子線エピタキシー法等を採用することができる。また、具体的な熱処理方法としては、真空中、400℃の雰囲気に30分ほど晒す等の処理を採用することができる。   As a specific film formation method for the Ag layer, a molecular beam epitaxy method or the like can be employed. As a specific heat treatment method, a treatment such as exposure to an atmosphere of 400 ° C. in a vacuum for about 30 minutes can be employed.

請求項10に記載の発明は、
前記7×7−Si(111)層を形成する方法として、
シリコン基板を真空中で高温に晒して、その表面に7×7−Si(111)を出すシリコン熱処理ステップを有していることを特徴とする請求項9に記載の電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリの製造方法である。
The invention according to claim 10 is:
As a method of forming the 7 × 7-Si (111) layer,
10. The voltage-induced magnetization reversal according to claim 9, further comprising a silicon heat treatment step in which the silicon substrate is exposed to a high temperature in a vacuum and 7 × 7-Si (111) is produced on the surface thereof. A method for manufacturing a magnetic memory.

本請求項の発明においては、シリコン基板を真空中で高温に晒す熱処理により、その表面に7×7−Si(111)を出すため、請求項9に記載の7×7−Si(111)層を、ひいては請求項1、請求項3、請求項4、請求項5に記載のナノサイズの磁性素子を、さらには電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリを確実に製造することが可能となる。   In the present invention, 7 × 7-Si (111) layer is formed on the surface by heat treatment of exposing the silicon substrate to a high temperature in a vacuum. Thus, it is possible to reliably manufacture the nano-sized magnetic element according to claim 1, claim 3, claim 4, and claim 5, and further, a magnetic memory using voltage-induced magnetization reversal.

なお、高温の熱処理温度としては、1100〜1250℃が好ましく、1200℃程度であると特に好ましい。また、シリコン基板としてはSi(111)基板が好ましい。   In addition, as high temperature heat processing temperature, 1100-1250 degreeC is preferable and it is especially preferable in it being about 1200 degreeC. The silicon substrate is preferably a Si (111) substrate.

請求項11に記載の発明は、
前記強磁性体層を形成する方法として、
前記3回対称のCr(0001)層の上にCo(111)層をエピタキシャル成長させて形成するCo(111)層形成ステップを有していることを特徴とする請求項7ないし請求項10のいずれか1項に記載の電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリの製造方法である。
The invention according to claim 11
As a method of forming the ferromagnetic layer,
8. A Co (111) layer forming step for forming a Co (111) layer by epitaxial growth on the three-fold symmetric Cr 2 O 3 (0001) layer. 10. A method of manufacturing a magnetic memory using voltage-induced magnetization reversal according to any one of 10.

本請求項の発明は、3回対称のCr(0001)層の上にCo(111)層を、分子線エピタキシー法等でエピタキシャル成長させて形成するため、請求項1、請求項3、請求項4、請求項5、請求項6に記載のナノサイズの磁性素子を、さらには電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリを確実に製造することが可能となる。また、両方の層の界面の結合が良好となる。 Since the invention of this claim is formed by epitaxially growing a Co (111) layer on a three-fold symmetric Cr 2 O 3 (0001) layer by a molecular beam epitaxy method, etc., It becomes possible to reliably manufacture the nano-sized magnetic element according to any one of claims 4, 5, and 6 and further a magnetic memory using voltage-induced magnetization reversal. In addition, the bonding at the interface between both layers is good.

なお、CoをCo(111)とするのは、コランダム構造のCr(0001)とエピタキシャル成長させることによる。 The reason why Co is changed to Co (111) is that epitaxial growth is performed with Cr 2 O 3 (0001) having a corundum structure.

本発明においては、電圧誘起磁化反転をする物質層を形成し、この現象により磁気メモリに入力を行なうので、低消費電力、高耐久性、高速応答性かつ高記録密度を有し、しかも記録の保持性が優れた磁気メモリを提供することができる。   In the present invention, a material layer that undergoes voltage-induced magnetization reversal is formed, and this phenomenon causes input to the magnetic memory. Therefore, it has low power consumption, high durability, high-speed response, and high recording density, and recording A magnetic memory having excellent retention can be provided.

本発明の第1の実施の形態の磁性素子における断面構造と作動の原理を示す図である。It is a figure which shows the cross-sectional structure and principle of operation | movement in the magnetic element of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態の磁性素子における酸化物反強磁性体層の原子の配列を示す斜視図である。1 is a perspective view showing an arrangement of atoms in an oxide antiferromagnetic material layer in a magnetic element according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施の形態の磁性素子において酸化物反強磁性体層をc軸方向から見たときの原子の配列を示す平面図である。FIG. 3 is a plan view showing an arrangement of atoms when an oxide antiferromagnetic material layer is viewed from the c-axis direction in the magnetic element according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施の形態の磁性素子において酸化物反強磁性体層を形成する際の主要な工程と、その工程の進捗に伴って磁性素子の要部が形成されていく様子を示す図である。The main process at the time of forming an oxide antiferromagnetic substance layer in the magnetic element of the 1st Embodiment of this invention, and a mode that the principal part of a magnetic element is formed with the progress of the process are shown. FIG. Au(111)の表面にCr(0001)中のCrが配列している様子を示す図である。The surface of au (111) is a diagram showing a state in which Cr of Cr 2 O 3 (0001) in are arranged. 3回対称の回転の様子を示す図である。It is a figure which shows the mode of 3 times symmetrical rotation. X線回折装置によるCrとAgの格子の配列の検査結果を示す図である。It is a diagram showing the test results of the Cr 2 O 3 and Ag array grid by X-ray diffractometer. 本発明の第2の実施の形態に示す方法で製造されたCrの表面に形成された1.0nmの厚さのCo層の磁化特性とその温度依存性を示す図である。It is a diagram showing the magnetization characteristics of the second embodiment of 1.0nm formed on the surface of the Cr 2 O 3 prepared by the method shown in the form thickness of the Co layer and the temperature dependence of the present invention. 図8と同じCr表面に形成された2.3nmの厚さのCo層の磁化の温度依存性を示す図である。Is a graph showing the temperature dependence of the magnetization of the thickness of the Co layer of 2.3nm formed on the same Cr 2 O 3 surface with FIG. 図9と同じCo層の、5Kにおける磁界が反強磁性体層のスピンの方向と平行の場合の交換バイアスの測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of an exchange bias when the magnetic field in 5K of the same Co layer as FIG. 9 is parallel to the direction of the spin of an antiferromagnetic material layer. 図9と同じCo層の、5Kにおける磁界が反強磁性体層10のスピンの方向と直交する場合の交換バイアスの測定結果を示す。The measurement result of the exchange bias when the magnetic field at 5 K of the same Co layer as in FIG. 9 is orthogonal to the spin direction of the antiferromagnetic material layer 10 is shown. 本発明の第3の実施の形態の磁性素子の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the magnetic element of the 3rd Embodiment of this invention.

以下、本発明を実施の形態に基づいて説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、以下の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。   Hereinafter, the present invention will be described based on embodiments. Note that the present invention is not limited to the following embodiments. Various modifications can be made to the following embodiments within the same and equivalent scope as the present invention.

(第1の実施の形態)
本実施の形態は、物としての磁気メモリの磁性素子、特にその原理と要部の構造に関する。以下、図面を参照しつつこれらについて説明する。
(First embodiment)
The present embodiment relates to a magnetic element of a magnetic memory as an object, particularly to the principle and the structure of the main part. Hereinafter, these will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明の第1の実施の形態の磁性素子の要部の断面構造と作動の原理を示す図であり、図1の(1)は電圧が上方から下方にかかった場合であり、図1の(2)は電圧が下方から上方にかかった場合である。図1において、10は酸化物反強磁性体層であり、50は強磁性体層であり、80は上部電極であり、81は上部電線であり、90は下部電極であり、91は下部電線である。また、酸化物反強磁性体層10内の細い矢印はスピンの向きを示し、強磁性体層50内の太い矢印は磁化方向を示している。そして、酸化物反強磁性体層10と強磁性体層50が可動層を構成している。   FIG. 1 is a diagram showing a cross-sectional structure of a main part of a magnetic element according to a first embodiment of the present invention and the principle of operation. FIG. 1 (1) shows a case where a voltage is applied from above to below. FIG. 1 (2) shows the case where the voltage is applied from the bottom to the top. In FIG. 1, 10 is an oxide antiferromagnetic layer, 50 is a ferromagnetic layer, 80 is an upper electrode, 81 is an upper wire, 90 is a lower electrode, and 91 is a lower wire. It is. A thin arrow in the oxide antiferromagnetic layer 10 indicates the direction of spin, and a thick arrow in the ferromagnetic layer 50 indicates the magnetization direction. The oxide antiferromagnetic material layer 10 and the ferromagnetic material layer 50 constitute a movable layer.

なお、実際の磁性素子においては、前記上部電極80はビット線(図示せず)に接続された固定層(図示せず)が兼ねたりもするが、これについては後の実施の形態で説明する。また、前記上部電極80の上方にさらに非磁性層、固定層が形成されており、ビット線、読出し用ワード線等に接続されたりしているが、これらは本発明の趣旨に直接の関係がなく、かつ自明であるため図示していない。   In an actual magnetic element, the upper electrode 80 may also serve as a fixed layer (not shown) connected to a bit line (not shown), which will be described in a later embodiment. . Further, a nonmagnetic layer and a fixed layer are further formed above the upper electrode 80 and connected to a bit line, a read word line, etc., which are directly related to the gist of the present invention. It is not shown because it is obvious and obvious.

図1に示す様に、上部電極80、下部電極90の正負を逆転させることにより酸化物反強磁性体層10のスピンを反転させる。これに伴い、この酸化物反強磁性体層10と界面で磁気結合している強磁性体層50のスピンも反転し、可動層の磁気の向きが反転することとなる。   As shown in FIG. 1, the spin of the oxide antiferromagnetic material layer 10 is reversed by reversing the positive and negative of the upper electrode 80 and the lower electrode 90. Along with this, the spin of the ferromagnetic layer 50 magnetically coupled to the oxide antiferromagnetic layer 10 at the interface is also reversed, and the magnetic direction of the movable layer is reversed.

酸化物反強磁性体層:
酸化物反強磁性体層10の材料、構造、磁気的性質について、図を参照しつつ説明する。酸化物反強磁性体層は、α−Cr(コランダム構造のCr)からなり、その酸化物反強磁性体のコランダム構造、原子の配列は、図2、図3に示す様になっている。図2は、コランダム構造において原子が上下方向に位置をずらして配列している様子を示す斜視図であり、図3は図2に示すコランダム構造のc軸方向から見た平面図である。図2と図3において、○で示す10cはクロム原子であり、◎で示す10oは酸素原子である。そして、2種類の黒い矢印の内、太い矢印はCrイオンの移動であり、細い矢印はCrのスピンの方向である。また、2種類の白抜きの矢印の内、太く短い矢印はOイオンの移動であり、太く長いい矢印は電界の方向を示している。また、一部の白丸内の×印はスピンの向きが紙面に対して上向きであることを示す
Oxide antiferromagnetic layer:
The material, structure, and magnetic properties of the oxide antiferromagnetic material layer 10 will be described with reference to the drawings. The oxide antiferromagnetic material layer is made of α-Cr 2 O 3 (corundum structure Cr 2 O 3 ), and the corundum structure and atomic arrangement of the oxide antiferromagnetic material are shown in FIGS. It is like. 2 is a perspective view showing a state in which atoms are arranged in the corundum structure so as to be displaced in the vertical direction, and FIG. 3 is a plan view of the corundum structure shown in FIG. 2 viewed from the c-axis direction. 2 and 3, 10c indicated by ◯ is a chromium atom, and 10o indicated by ◎ is an oxygen atom. Of the two types of black arrows, the thick arrow is the movement of Cr ions, and the thin arrow is the direction of the Cr spin. Of the two types of white arrows, the thick and short arrows indicate the movement of O ions, and the thick and long arrows indicate the direction of the electric field. In addition, the crosses in some white circles indicate that the spin direction is upward with respect to the page.

このα−Crの結晶構造においては、a=b=4.954Å、c=13.584Åとなり、Crのスピンの方向はc軸に平行である。図2では図の上下方向となり、図3では紙面に垂直方向となる。そして、電界が反転すれば、Crのスピンの方向も反転することとなる。 In this α-Cr 2 O 3 crystal structure, a = b = 4.954 Å and c = 13.584 、, and the spin direction of Cr is parallel to the c-axis. 2 is the vertical direction of the figure, and in FIG. 3, the direction is perpendicular to the paper surface. When the electric field is reversed, the direction of Cr spin is also reversed.

(第2の実施の形態)
本実施の形態は、製造方法に関する。特に、前記図1に示す磁性素子の酸化物反強磁性体層10の形成に関する。以下、図面を参照しつつこれについて説明する。
(Second Embodiment)
The present embodiment relates to a manufacturing method. In particular, it relates to the formation of the oxide antiferromagnetic material layer 10 of the magnetic element shown in FIG. This will be described below with reference to the drawings.

図4に、前記第1の実施の形態の磁性素子の酸化物反強磁性体層10を形成する際の主要な工程と、その工程の進捗に伴って磁性素子の要部が形成されていく様子を示す。図4において、99はシリコン基板であり、98は物理蒸着により形成したAg層であり、97はAg(111)層であり、96はAu層であり、11は物理蒸着により形成したCr層であり、10はα−Cr即ち酸化物反強磁性体層であり、またAg(111)層97とAu層96が下部電極90となる。 In FIG. 4, the main steps when forming the oxide antiferromagnetic layer 10 of the magnetic element of the first embodiment and the main part of the magnetic element are formed as the process progresses. Show the state. In FIG. 4, 99 is a silicon substrate, 98 is an Ag layer formed by physical vapor deposition, 97 is an Ag (111) layer, 96 is an Au layer, and 11 is a Cr layer formed by physical vapor deposition. And 10 is α-Cr 2 O 3, that is, an oxide antiferromagnetic layer, and the Ag (111) layer 97 and the Au layer 96 serve as the lower electrode 90.

磁性素子形成の工程について、以下に具体的に記載する。なお、以下の番号は図4の番号に対応している。
(1)シリコン基板99を、真空中、1200℃の雰囲気に1分晒す熱処理をして、その表面に内部と異なる7×7−Si(111)を生成させる。
The step of forming the magnetic element will be specifically described below. The following numbers correspond to the numbers in FIG.
(1) The silicon substrate 99 is heat-treated in a vacuum at 1200 ° C. for 1 minute to generate 7 × 7-Si (111) different from the inside on the surface.

(2)熱処理が終了したシリコンの表面に、真空中、0℃の雰囲気で、物理蒸着により厚さ100nmのAg層98を形成させる。 (2) An Ag layer 98 having a thickness of 100 nm is formed by physical vapor deposition in a vacuum atmosphere at 0 ° C. on the silicon surface after the heat treatment.

(3)真空中、400℃の雰囲気に30分晒し、表面をAg(111)層97とする。 (3) Exposure to an atmosphere of 400 ° C. for 30 minutes in a vacuum makes the surface an Ag (111) layer 97.

(4)真空中、100℃の雰囲気で、分子線エピタキシー法等の物理蒸着によりAu(111)層96を20nmの厚さにエピタキシャル成長させる。 (4) The Au (111) layer 96 is epitaxially grown to a thickness of 20 nm by physical vapor deposition such as molecular beam epitaxy in a vacuum at 100 ° C.

(5)真空中、50℃の雰囲気で、分子線エピタキシー法等の物理蒸着によりCr(110)層11を20nmの厚さにエピタキシャル成長させる。 (5) The Cr (110) layer 11 is epitaxially grown to a thickness of 20 nm by physical vapor deposition such as molecular beam epitaxy in a vacuum at 50 ° C.

(6)800℃、3×10−5Torrの酸素の雰囲気に30分晒し、Crを酸化させてα−Crとする。 (6) Exposure to an oxygen atmosphere at 800 ° C. and 3 × 10 −5 Torr for 30 minutes to oxidize Cr to α-Cr 2 O 3 .

(7)100℃、ベース圧力5×10−11Torr以下、堆積中は5×10−10Torr以下の雰囲気中で、分子線エピタキシー法によりα−Crの表面に2.3nmの双晶を有するCo(111)薄膜層50をエピタキシャル成長させる。 (7) At 2.3 ° C. on the surface of α-Cr 2 O 3 by molecular beam epitaxy in an atmosphere of 100 ° C., base pressure of 5 × 10 −11 Torr or less, and deposition of 5 × 10 −10 Torr or less. A Co (111) thin film layer 50 having crystals is epitaxially grown.

なお、実際に微細な磁気メモリの磁性素子を基板上に格子上に配列して形成するためには、必要箇所にレジストを形成したり、除去したりする等の他の工程が必要である。また同じく、磁性素子とするためにはエピタキシャル成長させたCo(111)薄膜層50の上に上部電極層、絶縁体層、上部の強磁性体層等を形成したりすることが必要である。また同じく、磁気メモリとして完成させるためにはビット線やワード線等の形成も必要である。しかし、これらの事項は何れも周知技術である。このため、それらを形成するための方法、工程についての説明は省略する。   In addition, in order to actually form the magnetic elements of the fine magnetic memory by arranging them on the lattice on the substrate, other processes such as forming a resist at a necessary place or removing the resist are necessary. Similarly, in order to obtain a magnetic element, it is necessary to form an upper electrode layer, an insulator layer, an upper ferromagnetic layer and the like on the epitaxially grown Co (111) thin film layer 50. Similarly, in order to complete a magnetic memory, it is necessary to form bit lines, word lines, and the like. However, these matters are all well-known techniques. For this reason, the description about the method and process for forming them is omitted.

また、性能検査や物性の研究、確認を行う為、Coの厚さが1.0nm等の磁性メモリや磁性素子等も作製した。   In addition, in order to perform performance inspections and research and confirmation of physical properties, magnetic memories and magnetic elements having a Co thickness of 1.0 nm and the like were also produced.

α−Cr層における積層の説明:
前記(1)から(4)の工程により、Au(111)が形成され、前記(5)の工程でCr(110)が3回対称の回転で形成され、さらに前記(6)の工程でCr(0001)が3回対称の回転で形成される。
Explanation of stacking in the α-Cr 2 O 3 layer:
Au (111) is formed by the steps (1) to (4), Cr (110) is formed by three-fold symmetry in the step (5), and Cr is further formed in the step (6). 2 O 3 (0001) is formed by three-fold symmetry rotation.

図5に、Au(111)の表面にCr(0001)中のCrが配列している様子を、図6にAu(111)の表面におけるCr(110)中のCr原子の3回対称の回転の様子(西山−ワッサマンの方位関係)を示す。図5において、大きな白丸で示す97aは金の原子であり、小さな白丸で示す10cはCr(0001)中の着目している層のCr原子である。また、図6において、内部に1を記した小さな白丸10cはCr(0001)中の着目している層のCr原子であり、内部に2を記した小さな白丸10cはAu(111)表面上に配列したCr原子である。 FIG. 5 shows a state in which Cr in Cr 2 O 3 (0001) is arranged on the surface of Au (111). FIG. 6 shows three times of Cr atoms in Cr (110) on the surface of Au (111). Symmetrical rotation (Nishiyama-Wassaman orientation relationship) is shown. In FIG. 5, 97a indicated by a large white circle is a gold atom, and 10c indicated by a small white circle is a Cr atom of the layer of interest in Cr 2 O 3 (0001). Further, in FIG. 6, small white circles 10c with 1 inside are Cr atoms of the layer of interest in Cr 2 O 3 (0001), and small white circles 10c with 2 inside are Au (111). Cr atoms arranged on the surface.

図5において、1辺が5.767Åの正三角形は、Au(111)の単位格子を示す。また、菱形はCr(0001)の単位格子を示し、その格子の不整合は、−0.8%であることが分かる。 In FIG. 5, an equilateral triangle having a side of 5.767Å indicates a unit cell of Au (111). In addition, the rhombus indicates a unit cell of Cr 2 O 3 (0001), and the lattice mismatch is found to be −0.8%.

図6において、着目している層のCrが頂点を占める斜線で示す長方形(注、この長方形はCr(110)の単位格子を示す)が、120°ずつ回転しており、Cr(0001)中のCr原子位置と整合していることが分かる。 In FIG. 6, a rectangle indicated by a diagonal line in which Cr of the layer of interest occupies the apex (note that this rectangle indicates a unit cell of Cr (110)) is rotated by 120 °, and Cr 2 O 3 ( It can be seen that it matches the Cr atom position in (0001).

図7に、X線回折装置によるCr(1−104)とAg(200)との格子の配列の検査結果を示す。上の図がCrであり、下の図がAgであり、縦軸が強度であり、横軸が回折角であるが、何れも原子が綺麗に配列していることが分かる。 FIG. 7 shows the inspection result of the lattice arrangement of Cr 2 O 3 (1-104) and Ag (200) by an X-ray diffractometer. The upper figure is Cr 2 O 3 , the lower figure is Ag, the vertical axis is the intensity, and the horizontal axis is the diffraction angle, but it can be seen that the atoms are arranged neatly.

Co層の磁気特性:
図8に、前記の方法で製造されたCr(0001)/Au(111)/Ag(111)/Si(111)の上面の表面に形成された2.3nmの厚さのCo層の磁化特性を示す。図8は室温(RT)での磁化特性(M)と磁界(H)の関係を示し、縦軸が単位体積(1cc)当たりの磁化(emu)であり、横軸が磁界である。また、実線は図でHで示す磁界がCo層に平行の場合であり、破線は垂直の場合である。
Co layer magnetic properties:
FIG. 8 shows a Co layer having a thickness of 2.3 nm formed on the upper surface of Cr 2 O 3 (0001) / Au (111) / Ag (111) / Si (111) manufactured by the above method. The magnetization characteristics of are shown. FIG. 8 shows the relationship between the magnetization characteristic (M) at room temperature (RT) and the magnetic field (H), the vertical axis is the magnetization (emu) per unit volume (1 cc), and the horizontal axis is the magnetic field. A solid line indicates a case where a magnetic field indicated by H in the drawing is parallel to the Co layer, and a broken line indicates a case where the magnetic field is vertical.

図8より、室温では約500emu/ccの残留磁化、約50Oeの保磁力が観測され、磁場の方向により磁化曲線に相違があることが分かる。   FIG. 8 shows that a residual magnetization of about 500 emu / cc and a coercive force of about 50 Oe are observed at room temperature, and there are differences in the magnetization curves depending on the direction of the magnetic field.

図9に、図8と同じ方法で製造されたCo層の磁化の温度依存性を示す。図9の左側の図は磁界が反強磁性体層10のスピンの方向と直交する場合であり、右の図は平行な場合であり、縦軸は磁化(emu)であり、横軸は温度(K)であり、実線は磁界有り(FC)であり、点線は磁界無し(ZFC)である。   FIG. 9 shows the temperature dependence of the magnetization of the Co layer manufactured by the same method as in FIG. 9 shows the case where the magnetic field is perpendicular to the spin direction of the antiferromagnetic layer 10, the right figure shows the case where the magnetic field is parallel, the vertical axis shows the magnetization (emu), and the horizontal axis shows the temperature. (K), the solid line indicates that there is a magnetic field (FC), and the dotted line indicates that there is no magnetic field (ZFC).

図9より、磁界の方向に関わらず、FC、ZFCの磁化の温度依存性が異なること、磁界がCo層に平行な場合,295Kにピークが観測されること、磁界がCo層に垂直な場合、295K以上でFC磁化が消失すること,295KでZFC磁化にピークがあることが分かる。このことから、Cr(0001)とCo(111)が,界面で磁気結合しており、磁気結合の方向が、Cr(0001)内のCrスピンの方向と平行な、膜面垂直方向であることが分かる。 From FIG. 9, regardless of the direction of the magnetic field, the temperature dependence of the magnetization of FC and ZFC is different, when the magnetic field is parallel to the Co layer, a peak is observed at 295K, and the magnetic field is perpendicular to the Co layer. It can be seen that the FC magnetization disappears at 295K or higher, and that the ZFC magnetization has a peak at 295K. From this, Cr 2 O 3 (0001) and Co (111) are magnetically coupled at the interface, and the direction of magnetic coupling is parallel to the direction of Cr spin in Cr 2 O 3 (0001). It can be seen that the direction is perpendicular to the plane.

図10に、図9と同じCo層の5Kにおける磁界が反強磁性体層10のスピンの方向と平行の場合の交換バイアスの測定結果を示す。図10の縦軸は磁化(emu)であり、横軸は磁界(kOe)であり、実線は磁界有り(FC)であり、点線は磁界無し(ZFC)の場合である。Cr層の面に垂直な方向に約500Oeの交換バイアスを確認した。   FIG. 10 shows the measurement result of the exchange bias when the magnetic field at 5 K of the same Co layer as in FIG. 9 is parallel to the spin direction of the antiferromagnetic material layer 10. The vertical axis in FIG. 10 is the magnetization (emu), the horizontal axis is the magnetic field (kOe), the solid line is with magnetic field (FC), and the dotted line is with no magnetic field (ZFC). An exchange bias of about 500 Oe was confirmed in a direction perpendicular to the surface of the Cr layer.

図11に、図9と同じCo層の5Kにおける磁界が反強磁性体層10のスピンの方向と直交する場合の交換バイアスの測定結果を示す。図10の縦軸は磁気力/CGS電磁単位(emu)であり、横軸は磁界(kOe)であり、実線は磁界有り(FC)であり、点線は磁界無し(ZFC)の場合である。Cr層の面に平行な方向では、交換バイアスがほぼ0であることを確認した。   FIG. 11 shows the measurement result of the exchange bias when the magnetic field at 5 K of the same Co layer as in FIG. 9 is orthogonal to the spin direction of the antiferromagnetic material layer 10. The vertical axis in FIG. 10 is the magnetic force / CGS electromagnetic unit (emu), the horizontal axis is the magnetic field (kOe), the solid line is with magnetic field (FC), and the dotted line is with no magnetic field (ZFC). It was confirmed that the exchange bias was almost zero in the direction parallel to the surface of the Cr layer.

(第3の実施の形態)
本実施の形態は、磁性素子に関する。図12の(1)と(2)に、本第3の実施の形態の磁性素子の構成を示す。図12において、30は書込み用ワード線であり、31はアイソレーショントランジスタであり、32は読出し用ワード線であり、40はビット線であり、60はトンネル接合素子であり、70は固定層(上部側の強磁性体層)である。図12の(1)は下部側の強磁性体層50とトンネル接合素子60の間に上部電極80を設けた場合であり、図12の(2)は下部側の強磁性体層50とトンネル接合素子60の間に上部電極80を設けず、上部側の強磁性体層70が上部電極80を兼用する場合である。
(Third embodiment)
The present embodiment relates to a magnetic element. FIGS. 12A and 12B show the configuration of the magnetic element of the third embodiment. In FIG. 12, 30 is a write word line, 31 is an isolation transistor, 32 is a read word line, 40 is a bit line, 60 is a tunnel junction element, and 70 is a fixed layer ( The upper ferromagnetic layer). (1) of FIG. 12 shows a case where the upper electrode 80 is provided between the lower ferromagnetic layer 50 and the tunnel junction element 60, and (2) of FIG. 12 shows the lower ferromagnetic layer 50 and the tunnel. This is a case where the upper electrode 80 is not provided between the junction elements 60 and the upper ferromagnetic layer 70 also serves as the upper electrode 80.

本発明の磁性メモリは、低消費電力、高耐久性、高速応答性かつ高記録密度を有し、しかも記録の保持性が優れているため、消費電力の制限が厳しい携帯電話、振動や熱等の環境面が厳しい自動車、特にその衝突防止装置等への利用が期待される。   The magnetic memory of the present invention has low power consumption, high durability, high-speed response, high recording density, and excellent recording retention, so that the power consumption is severely restricted by mobile phones, vibration, heat, etc. It is expected to be used for automobiles with severe environmental aspects, especially for collision prevention devices.

10 酸化物反強磁性体層
10c Cr原子
10o 酸素原子
11 Cr(110)層
30 書込み用ワード線
31 アイソレーショントランジスタ
32 読出し用ワード線
40 ビット線
50 強磁性体層
60 トンネル接合素子
70 固定層(上部側の強磁性体層)
80 上部電極
81 上部電線
90 下部電極
91 下部電線
96 Au層
97 Ag(111)層
98 Ag層
99 シリコン基板
10 Oxide Antiferromagnetic Layer 10c Cr Atom 10o Oxygen Atom 11 Cr (110) Layer 30 Write Word Line 31 Isolation Transistor 32 Read Word Line 40 Bit Line 50 Ferromagnetic Layer 60 Tunnel Junction Element 70 Fixed Layer ( Upper ferromagnetic layer)
80 Upper electrode 81 Upper wire 90 Lower electrode 91 Lower wire 96 Au layer 97 Ag (111) layer 98 Ag layer 99 Silicon substrate

Claims (11)

磁性素子の可動層が強磁性体層と電気磁気効果を有する酸化物反強磁性体層の2層構造であり、
情報入力方式として電圧誘起磁化反転を用いることを特徴とする電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリ。
The movable layer of the magnetic element has a two-layer structure of a ferromagnetic layer and an oxide antiferromagnetic layer having an electromagnetic effect,
A magnetic memory using voltage-induced magnetization reversal, characterized in that voltage-induced magnetization reversal is used as an information input method.
前記酸化物反強磁性体層は、
α−Crまたはコランダム構造のYMnOであることを特徴とする請求項1に記載の電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリ。
The oxide antiferromagnetic layer is
The magnetic memory using voltage-induced magnetization reversal according to claim 1, wherein the magnetic memory is α-Cr 2 O 3 or YMnO 3 having a corundum structure.
前記α−Crは、
Au層の上に形成されていることを特徴とする請求項2に記載の電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリ。
The α-Cr 2 O 3 is
The magnetic memory using voltage-induced magnetization reversal according to claim 2, wherein the magnetic memory is formed on an Au layer.
前記Au層は、
Ag層の上に形成されていることを特徴とする請求項3に記載の電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリ。
The Au layer is
The magnetic memory using voltage-induced magnetization reversal according to claim 3, wherein the magnetic memory is formed on an Ag layer.
前記Ag層は、
シリコン層の上に形成されていることを特徴とする請求項4に記載の電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリ。
The Ag layer is
5. The magnetic memory using voltage-induced magnetization reversal according to claim 4, wherein the magnetic memory is formed on a silicon layer.
前記強磁性体層は、
Co層であることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリ。
The ferromagnetic layer is
The magnetic memory using voltage-induced magnetization reversal according to any one of claims 1 to 5, wherein the magnetic memory is a Co layer.
磁性素子の可動層が強磁性体層と電気磁気効果を有する酸化物反強磁性体層の2層構造であり、情報入力方式として電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリの製造方法であって、
前記酸化物反強磁性体層を形成する方法として、
Au(111)層の上に3回対称のCr(110)層をエピタキシャル成長させて形成するCr層形成ステップと、
前記形成されたCr(110)層を酸化させて3回対称のCr(0001)層を形成するCr層形成ステップと
を有していることを特徴とする電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリの製造方法。
A movable layer of a magnetic element has a two-layer structure of a ferromagnetic layer and an oxide antiferromagnetic layer having an electromagnetic effect, and a method of manufacturing a magnetic memory using voltage-induced magnetization reversal as an information input method,
As a method of forming the oxide antiferromagnetic layer,
A Cr layer forming step of epitaxially growing a three-fold symmetric Cr (110) layer on the Au (111) layer;
And a Cr 2 O 3 layer forming step of oxidizing the formed Cr (110) layer to form a three-fold symmetric Cr 2 O 3 (0001) layer. Manufacturing method of magnetic memory using
前記Au(111)層を形成する方法として、
Ag(111)層の上にAu(111)層をエピタキシャル成長させて形成するAu(111)層形成ステップを有していることを特徴とする請求項7に記載の電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリの製造方法。
As a method of forming the Au (111) layer,
The magnetism using voltage-induced magnetization reversal according to claim 7, further comprising an Au (111) layer forming step of epitaxially growing an Au (111) layer on the Ag (111) layer. Memory manufacturing method.
前記Ag(111)層を形成する方法として、
7×7−Si(111)層の上にAg層を成膜した後、熱処理をするAg(111)層形成ステップを有していることを特徴とする請求項8に記載の電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリの製造方法。
As a method of forming the Ag (111) layer,
The voltage-induced magnetization reversal according to claim 8, further comprising an Ag (111) layer forming step of performing heat treatment after forming an Ag layer on the 7 × 7-Si (111) layer. Manufacturing method of magnetic memory using
前記7×7−Si(111)層を形成する方法として、
シリコン基板を真空中で高温に晒して、その表面に7×7−Si(111)を出すシリコン熱処理ステップを有していることを特徴とする請求項9に記載の電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリの製造方法。
As a method of forming the 7 × 7-Si (111) layer,
10. The voltage-induced magnetization reversal according to claim 9, further comprising a silicon heat treatment step in which the silicon substrate is exposed to a high temperature in a vacuum and 7 × 7-Si (111) is produced on the surface thereof. Manufacturing method of magnetic memory.
前記強磁性体層を形成する方法として、
前記3回対称のCr(0001)層の上にCo(111)層をエピタキシャル成長させて形成するCo(111)層形成ステップを有していることを特徴とする請求項7ないし請求項10のいずれか1項に記載の電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリの製造方法。
As a method of forming the ferromagnetic layer,
8. A Co (111) layer forming step of forming a Co (111) layer by epitaxial growth on the three-fold symmetric Cr 2 O 3 (0001) layer. 11. A method for manufacturing a magnetic memory using voltage induced magnetization reversal according to any one of 10 above.
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