JP2013069862A - Magnetoresistance effect element - Google Patents

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Sumio Ikegawa
純夫 池川
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昌彦 中山
Hisanori Aikawa
尚徳 相川
Tatsuya Kishi
達也 岸
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To inhibit malfunction of a magnetic memory.SOLUTION: A magnetoresistance effect element of an element comprises: a storage layer having perpendicular magnetic anisotropy and a variable magnetization direction; a reference layer having perpendicular magnetic anisotropy and an invariable magnetization direction; a non-magnetic layer 11 between the storage layer and the reference layer; and a shift adjustment layer having an invariable magnetization direction. The reference layer includes a first temperature dependence LM1 of magnetization and the shift adjustment layer includes a second temperature dependence LM2 of magnetization different from that of the reference layer. A leak field of the reference layer and a leak field of the shift adjustment layer are cancelled with each other under a memory operation temperature. A shift magnetic field caused by one of a leak field of the reference layer and a leak field of the shift adjustment layer is applied to magnetization of the storage layer under a mounting temperature.

Description

本発明の実施形態は、磁気抵抗効果素子に関する。   Embodiments described herein relate generally to a magnetoresistive element.

TMR(Tunnel Magneto Resistive)素子を利用した磁気メモリを実現するために、様々な技術が提案されている。   In order to realize a magnetic memory using a TMR (Tunnel Magneto Resistive) element, various techniques have been proposed.

その1つとして、MTJ(Magnetic Tunnel Junction)素子の磁化配列状態に対応するように“1”又は“0”データを、MTJ素子に記録し、TMR効果による素子の抵抗値の違いに基づいて、データを読み出す方式がある。   As one of them, “1” or “0” data is recorded in the MTJ element so as to correspond to the magnetization arrangement state of the MTJ (Magnetic Tunnel Junction) element, and based on the difference in the resistance value of the element due to the TMR effect, There is a method for reading data.

磁気メモリのデータの書き込み、すなわち、MTJ素子の磁性層の磁化を反転させる方式として、素子の微細化と低電流化の観点から、スピン偏極電流をMTJ素子に流すことによって引き起こされる磁化反転方式(以下、スピン注入磁化反転方式とよぶ)が、注目されている。   As a method of reversing the magnetization of the magnetic layer of the MTJ element, that is, the method of reversing the magnetization of the MTJ element caused by passing a spin-polarized current through the MTJ element from the viewpoint of miniaturization and low current (Hereinafter referred to as the spin injection magnetization reversal method) has attracted attention.

磁気メモリのデータの読み出しには、参照セル又はレプリカセルを用いて判定基準となる抵抗値(電位又は電流)を形成し、その判定基準とメモリセルのMTJ素子の抵抗値とを比較する手法が、用いられている。   For reading out data from a magnetic memory, there is a method of forming a resistance value (potential or current) as a determination standard using a reference cell or replica cell and comparing the determination standard with the resistance value of the MTJ element of the memory cell. Used.

磁気メモリにおいて、素子の微細化に伴って、磁性体の熱擾乱の問題が、顕在化する。この熱擾乱に起因して、参照セル及びレプリカセル内のMTJ素子の磁性層の磁化が、意図せずに反転した場合、データの判定(データ読み出し)に、動作不良が生じてしまう可能性がある。   In the magnetic memory, the problem of thermal disturbance of the magnetic material becomes obvious as the element is miniaturized. Due to this thermal disturbance, if the magnetization of the magnetic layer of the MTJ element in the reference cell and the replica cell is unintentionally reversed, a malfunction may occur in data determination (data reading). is there.

Z. Li, and S. Zhang, “Thermally assisted magnetization reversal in the presence of spin-transfer torque”, Physical Review B, Vol. 69, 134416 (2004)Z. Li, and S. Zhang, “Thermally assisted magnetization reversal in the presence of spin-transfer torque”, Physical Review B, Vol. 69, 134416 (2004)

磁気メモリの動作不良を抑制する技術を提案する。   We propose a technique to suppress the malfunction of magnetic memory.

本実施形態の磁気抵抗効果素子は、垂直磁気異方性を有し、磁化の向きが可変な記憶層と、垂直磁気異方性を有し、磁化の向きが不変な参照層と、前記記憶層と前記参照層との間の非磁性層と、前記参照層における前記非磁性層が設けられた側に対して反対側に設けられ、垂直磁気異方性を有し、磁化の向きが不変なシフト調整層と、を具備し、前記参照層は第1の磁化温度依存性を有し、前記シフト調整層は前記第1の磁化温度依存性と異なる第2の磁化温度依存性を有し、メモリ動作温度において、前記参照層の漏れ磁場と前記シフト調整層の漏れ磁場とは互いにキャンセルされ、実装温度において、前記参照層及び前記シフト調整層のうち一方に起因するシフト磁界が、前記記憶層の磁化に印加される。   The magnetoresistive effect element according to the present embodiment includes a storage layer having perpendicular magnetic anisotropy and a variable magnetization direction, a reference layer having perpendicular magnetic anisotropy and a magnetization direction invariable, and the memory A non-magnetic layer between the reference layer and the reference layer, and a side of the reference layer opposite to the side on which the non-magnetic layer is provided, and has perpendicular magnetic anisotropy and the magnetization direction is unchanged. The reference adjustment layer has a first magnetization temperature dependency, and the shift adjustment layer has a second magnetization temperature dependency different from the first magnetization temperature dependency. The leakage magnetic field of the reference layer and the leakage magnetic field of the shift adjustment layer are canceled from each other at the memory operating temperature, and the shift magnetic field caused by one of the reference layer and the shift adjustment layer at the mounting temperature is stored in the memory. Applied to the magnetization of the layer.

実施形態の磁気抵抗効果素子を含む磁気メモリの構成を説明するための図。The figure for demonstrating the structure of the magnetic memory containing the magnetoresistive effect element of embodiment. 実施形態の磁気抵抗効果素子を含む磁気メモリの構成を説明するための図。The figure for demonstrating the structure of the magnetic memory containing the magnetoresistive effect element of embodiment. 実施形態の磁気抵抗効果素子を含む磁気メモリの構成を説明するための図。The figure for demonstrating the structure of the magnetic memory containing the magnetoresistive effect element of embodiment. 実施形態の磁気抵抗効果素子を含む磁気メモリの構成を説明するための図。The figure for demonstrating the structure of the magnetic memory containing the magnetoresistive effect element of embodiment. 第1の実施形態の磁気抵抗効果素子を説明するための図。The figure for demonstrating the magnetoresistive effect element of 1st Embodiment. 第1の実施形態の磁気抵抗効果素子を説明するための図。The figure for demonstrating the magnetoresistive effect element of 1st Embodiment. 第1の実施形態の磁気抵抗効果素子の具体例を示す図。The figure which shows the specific example of the magnetoresistive effect element of 1st Embodiment. 第1の実施形態の磁気抵抗効果素子の具体例を示す図。The figure which shows the specific example of the magnetoresistive effect element of 1st Embodiment. 第1の実施形態の磁気抵抗効果素子の具体例を示す図。The figure which shows the specific example of the magnetoresistive effect element of 1st Embodiment. 第2の実施形態の磁気抵抗効果素子を説明するための図。The figure for demonstrating the magnetoresistive effect element of 2nd Embodiment. 第2の実施形態の磁気抵抗効果素子を説明するための図。The figure for demonstrating the magnetoresistive effect element of 2nd Embodiment. 第2の実施形態の磁気抵抗効果素子を説明するための図。The figure for demonstrating the magnetoresistive effect element of 2nd Embodiment. 第2の実施形態の磁気抵抗効果素子を説明するための図。The figure for demonstrating the magnetoresistive effect element of 2nd Embodiment.

[実施形態]
以下、図面を参照しながら、本実施形態について詳細に説明する。以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については、同一符号を付し、重複する説明は必要に応じて行う。
[Embodiment]
Hereinafter, this embodiment will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, elements having the same function and configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be given as necessary.

(1) 第1の実施形態
図1乃至図9を参照して、第1の実施形態の磁気抵抗効果素子について、説明する。
(1) First embodiment
The magnetoresistive effect element according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.

(a) 構成
図1乃至図8を参照して、第1の実施形態の磁気抵抗効果素子の構成について、説明する。例えば、第1の実施形態の磁気抵抗効果素子は、磁気メモリのメモリ素子として、用いられる。
(A) Configuration
The configuration of the magnetoresistive effect element according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. For example, the magnetoresistive effect element of the first embodiment is used as a memory element of a magnetic memory.

<全体構成>
図1乃至図4を用いて、本実施形態の磁気抵抗効果素子を含む磁気メモリの構成について説明する。
<Overall configuration>
A configuration of a magnetic memory including the magnetoresistive effect element according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.

図1は、磁気メモリ100を含むパッケージ装置200の構成を、模式的に示している。   FIG. 1 schematically shows a configuration of a package device 200 including a magnetic memory 100.

本実施形態の磁気抵抗効果素子を含む磁気メモリ100のチップは、パッケージ装置200内に搭載されている。磁気メモリ100は、絶縁体(パッケージ)210内に封止されている。パッケージ装置200内において、磁気メモリ100のチップは、ボンディングワイヤ、リードフレーム或いは金属バンプ(例えば、銅バンプ)を介して、パッケージ装置200の外部接続端子290に、接続されている。外部接続端子290には、例えば、ハンダボール(又はハンダバンプ)290が用いられている。   The chip of the magnetic memory 100 including the magnetoresistive effect element of this embodiment is mounted in the package device 200. The magnetic memory 100 is sealed in an insulator (package) 210. In the package device 200, the chip of the magnetic memory 100 is connected to the external connection terminal 290 of the package device 200 via a bonding wire, a lead frame, or a metal bump (for example, a copper bump). For example, a solder ball (or solder bump) 290 is used for the external connection terminal 290.

磁気メモリ100を含むパッケージ装置200は、実装基板300上に搭載される。パッケージ装置200は、外部接続端子としてのハンダボール290によって、実装基板300上の接続端子(又は、配線)390に接続される。これによって、磁気メモリは、実装基板300上の他のチップ又は素子(図示せず)に接続され、磁気メモリを含むメモリシステム(例えば、メモリカードやSSD)やシステムLSIが形成される。   The package device 200 including the magnetic memory 100 is mounted on the mounting substrate 300. The package device 200 is connected to connection terminals (or wirings) 390 on the mounting substrate 300 by solder balls 290 as external connection terminals. Thus, the magnetic memory is connected to another chip or element (not shown) on the mounting substrate 300, and a memory system (for example, a memory card or SSD) or a system LSI including the magnetic memory is formed.

図2は、磁気メモリ100のチップのレイアウト例を模式的に示している。
本実施形態において、磁気メモリ100は、例えば、MRAM(Magnetoresistive Random Access Memory)である。但し、本実施形態の磁気抵抗効果素子を用いて、ROMが、形成されてもよい。
FIG. 2 schematically shows a layout example of the chip of the magnetic memory 100.
In the present embodiment, the magnetic memory 100 is, for example, an MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory). However, the ROM may be formed using the magnetoresistive effect element of this embodiment.

図2に示されるように、磁気メモリ100において、メモリセルアレイ30は、チップ(半導体基板)70内に、設けられている。   As shown in FIG. 2, in the magnetic memory 100, the memory cell array 30 is provided in a chip (semiconductor substrate) 70.

メモリセルアレイ30内には、複数のセル20が、設けられている。各セル20は、少なくとも1つの磁気抵抗効果素子1Aと少なくとも1つの選択素子2とを含んでいる。   A plurality of cells 20 are provided in the memory cell array 30. Each cell 20 includes at least one magnetoresistance effect element 1A and at least one selection element 2.

図3は、メモリセルアレイ30の内部構成の一例を示す等価回路図である。   FIG. 3 is an equivalent circuit diagram showing an example of the internal configuration of the memory cell array 30.

図3に示されるように、メモリセルアレイ30は、複数のセル20を含む。   As shown in FIG. 3, the memory cell array 30 includes a plurality of cells 20.

複数のセル20は、メモリセルアレイ30内にアレイ状に配置される。メモリセルアレイ30内には、複数のビット線BL,bBL及び複数のワード線WLが設けられている。ビット線BL,bBLはカラム方向に延在し、ワード線WLはロウ方向に延在する。2本のビット線BL,bBLは、1組のビット線対を形成している。   The plurality of cells 20 are arranged in an array in the memory cell array 30. In the memory cell array 30, a plurality of bit lines BL, bBL and a plurality of word lines WL are provided. The bit lines BL and bBL extend in the column direction, and the word line WL extends in the row direction. The two bit lines BL and bBL form one bit line pair.

セル20は、ビット線BL,bBL及びワード線WLに接続されている。   The cell 20 is connected to the bit lines BL and bBL and the word line WL.

カラム方向に配列されている複数のセル20は、共通のビット線対BL,bBLに接続されている。ロウ方向に配列されている複数のセル20は、共通のワード線WLに接続されている。   The plurality of cells 20 arranged in the column direction are connected to a common bit line pair BL, bBL. The plurality of cells 20 arranged in the row direction are connected to a common word line WL.

セル20は、例えば、1つの磁気抵抗効果素子1Aと、1つの選択素子2とを含む。磁気抵抗効果素子1Aは、例えば、MTJ(Magnetic Tunnel Junction)素子である。   The cell 20 includes, for example, one magnetoresistive effect element 1A and one selection element 2. The magnetoresistive effect element 1A is, for example, an MTJ (Magnetic Tunnel Junction) element.

選択スイッチ2は、例えば、電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor)である。以下では、選択スイッチ2としての電界効果トランジスタのことを、選択トランジスタ2とよぶ。本実施形態において、外部からのデータを記憶するセル20のことを、メモリセルMCとよぶ。   The selection switch 2 is, for example, a field effect transistor. Hereinafter, the field effect transistor as the selection switch 2 is referred to as a selection transistor 2. In the present embodiment, the cell 20 that stores data from the outside is referred to as a memory cell MC.

MTJ素子1Aの一端は、ビット線BLに接続され、MTJ素子1Aの他端は、選択トランジスタ2の電流経路の一端(ソース/ドレイン)に接続されている。選択トランジスタ2の電流経路の他端(ドレイン/ソース)は、ビット線bBLに接続されている。選択トランジスタ2の制御端子(ゲート)は、ワード線WLに接続されている。   One end of the MTJ element 1A is connected to the bit line BL, and the other end of the MTJ element 1A is connected to one end (source / drain) of the current path of the selection transistor 2. The other end (drain / source) of the current path of the selection transistor 2 is connected to the bit line bBL. A control terminal (gate) of the selection transistor 2 is connected to the word line WL.

図4は、本実施形態のMTJ素子1Aを含むセル20の断面構造を説明するための模式図である。   FIG. 4 is a schematic diagram for explaining a cross-sectional structure of the cell 20 including the MTJ element 1A of the present embodiment.

図4に示されるように、セル20は、半導体基板70のアクティブ領域AA内に形成される。アクティブ領域AAは、半導体基板70の素子分離領域に埋め込まれた絶縁膜71によって、区画されている。   As shown in FIG. 4, the cell 20 is formed in the active area AA of the semiconductor substrate 70. The active area AA is partitioned by an insulating film 71 embedded in the element isolation region of the semiconductor substrate 70.

選択トランジスタ2は、アクティブ領域AA上に設けられている。   The selection transistor 2 is provided on the active area AA.

選択トランジスタ2の2つのソース/ドレイン拡散層63,64は、アクティブ領域AA(半導体基板70)内に、設けられている。2つのソース/ドレイン拡散層63,64間のアクティブ領域AA表面上に、ゲート絶縁膜61が設けられている。ゲート電極62は、ゲート絶縁膜61上に設けられている。図3に示されるように、ゲート電極62は、ロウ方向に延在し、ワード線WLとして用いられる。   The two source / drain diffusion layers 63 and 64 of the selection transistor 2 are provided in the active area AA (semiconductor substrate 70). A gate insulating film 61 is provided on the surface of the active area AA between the two source / drain diffusion layers 63 and 64. The gate electrode 62 is provided on the gate insulating film 61. As shown in FIG. 3, the gate electrode 62 extends in the row direction and is used as the word line WL.

選択トランジスタ2のソース/ドレイン拡散層63は、層間絶縁膜79A内に埋め込まれたコンタクトプラグ72Aを介して、ビット線75(bBL)に接続される。選択トランジスタ2のソース/ドレイン拡散層64は、層間絶縁膜79A,79B内に埋め込まれたコンタクトプラグ72Bを介して、MTJ素子1Aに接続されている。   The source / drain diffusion layer 63 of the select transistor 2 is connected to the bit line 75 (bBL) via a contact plug 72A embedded in the interlayer insulating film 79A. The source / drain diffusion layer 64 of the select transistor 2 is connected to the MTJ element 1A via a contact plug 72B embedded in the interlayer insulating films 79A and 79B.

MTJ素子1Aは、少なくとも2つの磁性層と、2つの磁性層間の非磁性層(トンネルバリア層)とを少なくとも含む積層構造を有する。MTJ素子1Aが少なくとも含む2つの磁性層のうち、一方の磁性層は記憶層(磁化自由層、自由層、記録層ともよばれる)とよばれ、他方の磁性層は参照層(磁化不変層、固定層ともよばれる)とよばれる。記憶層は、反転可能(可変)な磁化を有している。参照層は、固定の(不変の)磁化を有している。本実施形態のMTJ素子1Aの構造の詳細については、後述する。   The MTJ element 1A has a laminated structure including at least two magnetic layers and a nonmagnetic layer (tunnel barrier layer) between two magnetic layers. Of the two magnetic layers included in at least the MTJ element 1A, one magnetic layer is called a storage layer (also called a magnetization free layer, a free layer, or a recording layer), and the other magnetic layer is a reference layer (a magnetization invariant layer, a fixed layer). It is also called a layer). The storage layer has reversible (variable) magnetization. The reference layer has a fixed (invariant) magnetization. Details of the structure of the MTJ element 1A of the present embodiment will be described later.

MTJ素子1Aの上端は、上部電極52を介してビット線76(BL)に接続される。また、MTJ素子1Aの下端は、下部電極51、コンタクトプラグ72Bを介して、選択トランジスタ2のソース/ドレイン拡散層64に接続される。   The upper end of the MTJ element 1A is connected to the bit line 76 (BL) through the upper electrode 52. The lower end of the MTJ element 1A is connected to the source / drain diffusion layer 64 of the selection transistor 2 through the lower electrode 51 and the contact plug 72B.

MTJ素子1Aは、プラグ72B直上に設けられている。ただし、MTJ素子1Aは、中間配線層を用いて、コンタクトプラグ直上からずれた位置(例えば、選択トランジスタのゲート電極上方)に配置されてもよい。MTJ素子1Aは、層間絶縁膜79C内に設けられている。   The MTJ element 1A is provided immediately above the plug 72B. However, the MTJ element 1A may be disposed at a position shifted from immediately above the contact plug (for example, above the gate electrode of the selection transistor) using the intermediate wiring layer. The MTJ element 1A is provided in the interlayer insulating film 79C.

図4において、1つのアクティブ領域AA内に1つのセル20が設けられた例が示されている。しかし、2つのセルが1つのコンタクトプラグ72A及びソース/ドレイン拡散層63を共有するように、2つのセルが1つのアクティブ領域AA内に設けられてもよい。これによって、セル20のサイズが縮小される。図4において、選択トランジスタ2は、プレーナ構造の電界効果トランジスタが示されているが、電界効果トランジスタの構造は、これに限定されない。例えば、RCAT(Recess Channel Array Transistor)やFinFETなどのように、3次元構造の電界効果トランジスタが、選択トランジスタとして用いられてもよい。   FIG. 4 shows an example in which one cell 20 is provided in one active area AA. However, two cells may be provided in one active area AA so that the two cells share one contact plug 72A and the source / drain diffusion layer 63. As a result, the size of the cell 20 is reduced. In FIG. 4, a planar structure field effect transistor is shown as the selection transistor 2, but the structure of the field effect transistor is not limited to this. For example, a three-dimensional field effect transistor such as RCAT (Recess Channel Array Transistor) or FinFET may be used as the selection transistor.

ロウ制御回路32は、メモリセルアレイ30のロウ方向に隣接するように、チップ70内に設けられている。カラム制御回路33は、メモリセルアレイ30のカラム方向に隣接するように、チップ70内に設けられている。
ロウ制御回路32は、メモリセルアレイ30のロウを制御する。ロウ制御回路32は、ワード線WLの一端に接続される。ロウ制御回路32は、外部からのアドレス信号に基づいて、ワード線の活性化/非活性化を制御する。
The row control circuit 32 is provided in the chip 70 so as to be adjacent to the memory cell array 30 in the row direction. The column control circuit 33 is provided in the chip 70 so as to be adjacent to the memory cell array 30 in the column direction.
The row control circuit 32 controls the rows of the memory cell array 30. The row control circuit 32 is connected to one end of the word line WL. The row control circuit 32 controls activation / inactivation of the word line based on an external address signal.

カラム制御回路33は、メモリセルアレイ30のカラムを制御する。カラム制御回路33は、ビット線の一端及び他端にそれぞれ接続される。カラム制御回路33は、外部からのアドレス信号に基づいて、ビット線の活性化/非活性化を制御する。   The column control circuit 33 controls the columns of the memory cell array 30. The column control circuit 33 is connected to one end and the other end of the bit line. The column control circuit 33 controls activation / deactivation of the bit line based on an external address signal.

ロウ制御回路32及びカラム制御回路33によって活性化されたメモリセルMC(20)が、選択セルとして、外部(メモリコントローラ又はホスト)からアクセスされる。   The memory cell MC (20) activated by the row control circuit 32 and the column control circuit 33 is accessed from the outside (memory controller or host) as a selected cell.

メモリセルアレイ30の近傍において、書き込み回路35及び読み出し回路36が、チップ70内に設けられている。   In the vicinity of the memory cell array 30, a write circuit 35 and a read circuit 36 are provided in the chip 70.

書き込み回路35は、カラム制御回路33を介して、ビット線の一端及び他端に接続される。書き込み回路35は、書き込み電流Iwを生成するための電流源や電圧源などのソース回路、書き込み電流Iwを吸収するためのシンク回路を、有する。   The write circuit 35 is connected to one end and the other end of the bit line via the column control circuit 33. The write circuit 35 includes a source circuit such as a current source or a voltage source for generating the write current Iw, and a sink circuit for absorbing the write current Iw.

読み出し回路36は、カラム制御回路33を介して、ビット線の一端に接続される。読み出し回路36は、読み出し電流Irを生成するための電流源又は電圧源、読み出し信号の検知及び増幅を行うセンスアンプ37、及び、データを一時的に保持するラッチ回路などを含んでいる。   The read circuit 36 is connected to one end of the bit line via the column control circuit 33. The read circuit 36 includes a current source or voltage source for generating a read current Ir, a sense amplifier 37 that detects and amplifies a read signal, a latch circuit that temporarily holds data, and the like.

例えば、メモリセルアレイ30と同じチップ70内に、ロウ/カラム制御回路32,33、書き込み回路35及び読み出し回路36以外の回路(以下、周辺回路39とよぶ)が、設けられている。例えば、バッファ回路、ステートマシン(制御回路)、又は、ECC(Error Checking and Correcting)回路などが、周辺回路39としてチップ70内に設けられる。   For example, a circuit (hereinafter referred to as a peripheral circuit 39) other than the row / column control circuits 32 and 33, the write circuit 35, and the read circuit 36 is provided in the same chip 70 as the memory cell array 30. For example, a buffer circuit, a state machine (control circuit), an ECC (Error Checking and Correcting) circuit, or the like is provided in the chip 70 as the peripheral circuit 39.

<動作>
(書き込み動作)
本実施形態のMTJ素子1A及びそのMTJ素子1Aを含む磁気メモリにおけるデータの書き込み動作について、説明する。
<Operation>
(Write operation)
A data write operation in the MTJ element 1A of the present embodiment and the magnetic memory including the MTJ element 1A will be described.

例えば、本実施形態のMTJ素子1A及びそのMTJ素子1Aを含む磁気メモリ(例えば、MRAM)のデータの書き込みには、スピン注入磁化反転方式(Spin-Torque-Transfer)が用いられる。   For example, the spin-transfer magnetization reversal method (Spin-Torque-Transfer) is used to write data in the MTJ element 1A of the present embodiment and a magnetic memory (eg, MRAM) including the MTJ element 1A.

スピン注入磁化反転型MRAMにおいて、書き込み回路35は、データの書き込み時、書き込み対象として選択されたセル(以下、選択セルとよぶ)に対して、書き込み電流Iwを供給する。   In the spin-injection magnetization switching MRAM, the write circuit 35 supplies a write current Iw to a cell selected as a write target (hereinafter referred to as a selected cell) when writing data.

書き込み回路35は、選択セルに書き込まれるデータに応じて、書き込み電流IwをメモリセルMC内のMTJ素子1Aに双方向に流す。即ち、書き込むデータに応じて、ビット線BLからビット線bBLに向かう書き込み電流Iwが、或いは、ビット線bBLからビット線BLに向かう書き込み電流Iwが、書き込み回路35から出力される。   The write circuit 35 causes the write current Iw to flow bidirectionally through the MTJ element 1A in the memory cell MC according to the data written to the selected cell. That is, the write current Iw from the bit line BL to the bit line bBL or the write current Iw from the bit line bBL to the bit line BL is output from the write circuit 35 according to the data to be written.

本実施形態のMTJ素子1Aは、例えば、スピン注入磁化反転方式によって、記憶層と参照層との相対的な磁化の向きが反転される。MTJ素子1Aの記憶層の磁化の向きは、MTJ素子1Aに流された書き込み電流Iwに起因するスピントルクによって、変化される。すなわち、記憶層の磁化の向きは、書き込み電流Iwが含むスピン偏極した電子が、記憶層の磁化(スピン)に作用することによって、変化する。   In the MTJ element 1A of the present embodiment, the relative magnetization directions of the storage layer and the reference layer are reversed by, for example, the spin injection magnetization reversal method. The direction of magnetization of the storage layer of the MTJ element 1A is changed by the spin torque caused by the write current Iw passed through the MTJ element 1A. In other words, the magnetization direction of the storage layer changes when spin-polarized electrons included in the write current Iw act on the magnetization (spin) of the storage layer.

ここで、「参照層の磁化の向きが固定状態である」又は「参照層の磁化の向きが不変である」とは、記憶層の磁化の向きを反転させるための磁化反転しきい値以上の電流(磁化反転電流)が、参照層に流れた場合に、参照層の磁化の向きが変化しないことを意味する。   Here, “the magnetization direction of the reference layer is in a fixed state” or “the magnetization direction of the reference layer is invariable” means that the magnetization reversal threshold value for reversing the magnetization direction of the storage layer is not less than This means that when a current (magnetization reversal current) flows through the reference layer, the magnetization direction of the reference layer does not change.

したがって、MTJ素子1Aにおいて、磁化反転しきい値の大きな磁性層が参照層として用いられ、参照層よりも反転しきい値の小さい磁性層が記憶層として用いられる。これによって、磁化の向きが可変な記憶層と磁化の向きが固定された参照層とを含むMTJ素子1Aが、形成される。
また、書き込み電流Iwは、記憶層の反転しきい値以上の電流値を有し、且つ、参照層の反転しきい値より小さい電流値を有している。
Therefore, in the MTJ element 1A, a magnetic layer having a large magnetization reversal threshold is used as a reference layer, and a magnetic layer having a reversal threshold smaller than that of the reference layer is used as a storage layer. As a result, the MTJ element 1A including the storage layer whose magnetization direction is variable and the reference layer whose magnetization direction is fixed is formed.
Further, the write current Iw has a current value equal to or higher than the inversion threshold value of the storage layer and a current value smaller than the inversion threshold value of the reference layer.

記憶層の磁化の向きが参照層の磁化の向きと平行(P:Parallel)状態にされる場合、つまり、記憶層の磁化の向きが参照層の磁化の向きと同じにされる場合、記憶層から参照層に向かって流れる電流Iwが、MTJ素子1Aに供給される。
この場合において、電子は、トンネルバリア層を経由して、参照層から記憶層に向かって移動する。参照層及びトンネルバリア層を通過して記憶層に移動した電子のうち、マジョリティーな電子(スピン偏極した電子)は、参照層の磁化(スピン)の向きと同じ向きを有している。このスピン偏極した電子のスピン角運動量(スピントルク)が、記憶層の磁化に印加され、記憶層の磁化は、参照層の磁化の向きと同じ向きに反転する。MTJ素子1Aの磁化配列が平行配列(平行状態)であるとき、MTJ素子1Aの抵抗値は最も小さくなる。
When the magnetization direction of the storage layer is made parallel (P: Parallel) to the magnetization direction of the reference layer, that is, when the magnetization direction of the storage layer is made the same as the magnetization direction of the reference layer, the storage layer A current Iw flowing from the first to the reference layer is supplied to the MTJ element 1A.
In this case, electrons move from the reference layer toward the storage layer via the tunnel barrier layer. Of the electrons that have passed through the reference layer and the tunnel barrier layer and moved to the storage layer, majority electrons (spin-polarized electrons) have the same direction as the magnetization (spin) of the reference layer. The spin angular momentum (spin torque) of the spin-polarized electrons is applied to the magnetization of the storage layer, and the magnetization of the storage layer is reversed in the same direction as the magnetization direction of the reference layer. When the magnetization arrangement of the MTJ element 1A is a parallel arrangement (parallel state), the resistance value of the MTJ element 1A is the smallest.

記憶層の磁化の向きが参照層の磁化の向きと反平行(AP:Antiparallel)状態にされる場合、つまり、記憶層の磁化の向きが参照層の磁化の向きに対して反対にされる場合、参照層から記憶層に向かって流れる電流Iwが、MTJ素子1Aに供給される。
この場合、電子は、記憶層から参照層に向かって移動する。参照層の磁化の向きと反平行のスピンをもつ電子は、参照層によって反射される。反射された電子は、スピン偏極した電子として、記憶層に注入される。このスピン偏極した電子(反射された電子)のスピントルクが、記憶層の磁化に印加され、記憶層の磁化は、参照層の磁化の向きと反対の向きに反転する。MTJ素子1Aの磁化配列が、反平行配列(反平行状態)であるとき、MTJ素子1Aの抵抗値は最も大きくなる。
When the magnetization direction of the storage layer is antiparallel (AP) with the magnetization direction of the reference layer, that is, when the magnetization direction of the storage layer is opposite to the magnetization direction of the reference layer The current Iw flowing from the reference layer toward the storage layer is supplied to the MTJ element 1A.
In this case, electrons move from the storage layer toward the reference layer. Electrons having spins antiparallel to the magnetization direction of the reference layer are reflected by the reference layer. The reflected electrons are injected into the storage layer as spin-polarized electrons. The spin torque of the spin-polarized electrons (reflected electrons) is applied to the magnetization of the storage layer, and the magnetization of the storage layer is reversed in the direction opposite to the magnetization direction of the reference layer. When the magnetization arrangement of the MTJ element 1A is an antiparallel arrangement (antiparallel state), the resistance value of the MTJ element 1A is the largest.

例えば、抵抗値が小さい状態(磁化配列が平行状態)のMTJ素子1Aは、“0”データ保持状態(第1安定状態)に対応づけられ、抵抗値が高い状態(磁化配列が反平行状態)のMTJ素子1Aは、“1”データ保持状態(第2安定状態)に対応付けられる。   For example, the MTJ element 1A having a small resistance value (magnetization array is in a parallel state) is associated with the “0” data holding state (first stable state) and has a high resistance value (the magnetization array is in an antiparallel state). The MTJ element 1A is associated with the “1” data holding state (second stable state).

(読み出し動作)
本実施形態のMTJ素子1A及びそのMTJ素子1Aを含む磁気メモリにおけるデータの読み出し動作について、説明する。
(Read operation)
A data read operation in the MTJ element 1A of the present embodiment and the magnetic memory including the MTJ element 1A will be described.

本実施形態のMTJ素子1A及びそのMTJ素子1Aを含む磁気メモリ(MRAM)のデータの読み出しにおいて、例えば、読み出し回路36のセンスアンプ37が、読み出し対象の選択セルからの信号(電位)と参照信号(基準電位)との大小関係を比較することによって、選択セル内のMTJ素子1Aが“0”データ保持状態(磁化平行状態、低抵抗状態)であるか、“1”データ保持状態(磁化反平行状態、高抵抗状態)であるかが判定される。   In reading data from the MTJ element 1A and the magnetic memory (MRAM) including the MTJ element 1A according to the present embodiment, for example, the sense amplifier 37 of the read circuit 36 receives a signal (potential) and a reference signal from the selected cell to be read. By comparing the magnitude relationship with (reference potential), the MTJ element 1A in the selected cell is in the “0” data holding state (magnetization parallel state, low resistance state) or the “1” data holding state (magnetization counter-current). Whether it is a parallel state or a high resistance state).

データ読み出し時において、選択セルからの信号(読み出し信号)は、選択セル内のMTJ素子1A内に読み出し電流Irを流すことによって、生成される。MTJ素子1Aを流れた読み出し電流Irに基づく信号の大きさは、MTJ素子1Aの抵抗値に応じて、変動する。MTJ素子1Aを流れた読み出し電流Irに基づく信号(電位又は電流)が、センスアンプ37に入力される。   At the time of data reading, a signal (read signal) from the selected cell is generated by flowing a read current Ir in the MTJ element 1A in the selected cell. The magnitude of the signal based on the read current Ir flowing through the MTJ element 1A varies according to the resistance value of the MTJ element 1A. A signal (potential or current) based on the read current Ir flowing through the MTJ element 1A is input to the sense amplifier 37.

尚、読み出し電流Irの電流値は、読み出し電流によって記憶層の磁化が反転しないように、書き込み電流Iwの電流値(反転しきい値)より小さい値に設定される。   The current value of the read current Ir is set to a value smaller than the current value (reversal threshold value) of the write current Iw so that the magnetization of the storage layer is not reversed by the read current.

データ読み出し時における参照信号(標準信号)は、参照セルやレプリカセルとよばれるセルを用いて生成される。MRAMのデータ読み出し時において、参照セル及びレプリカセルを用いて、MTJ素子の抵抗値と比較するための合成抵抗が形成されたり、参照セルが接続されたビット線に対する印加電位が生成されたりする。   A reference signal (standard signal) at the time of data reading is generated using a cell called a reference cell or a replica cell. When data is read from the MRAM, a combined resistance for comparison with the resistance value of the MTJ element is formed using the reference cell and the replica cell, or an applied potential is generated for the bit line to which the reference cell is connected.

このように、MRAMのデータの読み出しは、参照セル及びレプリカセルを用いて、実行される場合がある。それゆえ、図2及び図3に示されるように、メモリセルアレイ30内には、外部からのデータを記憶するメモリセルMCと参照電位を生成するための参照セル/レプリカセルRCとが設けられる。以下では、参照セル及びレプリカセルを区別しない場合、参照セル及びレプリカセルのことを、参照電位生成セルとよぶ。   As described above, reading of data from the MRAM may be executed using the reference cell and the replica cell. Therefore, as shown in FIGS. 2 and 3, in the memory cell array 30, a memory cell MC for storing data from the outside and a reference cell / replica cell RC for generating a reference potential are provided. Hereinafter, when the reference cell and the replica cell are not distinguished, the reference cell and the replica cell are referred to as a reference potential generation cell.

メモリセルアレイ30内において、メモリセルMCが設けられる領域31Aのことを、メモリセル領域31Aとよび、参照電位生成セルRCが設けられる領域31Bのことを、参照電位生成セル領域31Bとよぶ。   In the memory cell array 30, the region 31A in which the memory cell MC is provided is called a memory cell region 31A, and the region 31B in which the reference potential generation cell RC is provided is called a reference potential generation cell region 31B.

メモリセルMC及び参照電位生成セルRCは、実質的に同じ工程で形成され、実質的に同じ構造を有する。すなわち、参照電位生成セルRCは、本実施形態のMTJ素子1Aと選択トランジスタ2とを含み、図4に示されるセル(メモリセル)20と同じ構造を有する。   The memory cell MC and the reference potential generation cell RC are formed by substantially the same process and have substantially the same structure. That is, the reference potential generation cell RC includes the MTJ element 1A of this embodiment and the selection transistor 2, and has the same structure as the cell (memory cell) 20 shown in FIG.

参照セル及びレプリカセルのような参照電位生成セルRCは、外部からのデータの書き込み対象とはならない。但し、データの読み出しのための所定の抵抗値の参照電位生成セルRCを形成するために、参照電位生成セルRCは、チップの出荷前に予め“0”データ保持状態(平行状態)であるか“1”データ保持状態(磁化反平行状態)であるかが規定される。   The reference potential generating cell RC such as the reference cell and the replica cell is not a target for data writing from the outside. However, in order to form a reference potential generating cell RC having a predetermined resistance value for reading data, is the reference potential generating cell RC in a “0” data holding state (parallel state) before shipping the chip? Whether the data is in the “1” data holding state (magnetization antiparallel state) is defined.

1つの参照電位生成セルRCを用いてアクセスされるメモリ領域(メモリセルの個数)は、例えば、数十から数百bit又はそれ以上である。それゆえ、1つの参照電位生成セルRCが動作不良になると、その不良の参照電位生成セルRCに対応するメモリ領域のデータが、正常に読み出せなくなる。このように、参照電位生成セルにおいて、1bitでも意図しないMTJ素子1Aの磁化反転が生じると、チップ全体が不良となる可能性がある。   The memory area (number of memory cells) accessed using one reference potential generating cell RC is, for example, several tens to several hundreds bits or more. Therefore, when one reference potential generation cell RC becomes defective, the data in the memory area corresponding to the defective reference potential generation cell RC cannot be normally read. Thus, if the magnetization reversal of the MTJ element 1A which is not intended even in 1 bit occurs in the reference potential generation cell, there is a possibility that the whole chip becomes defective.

それゆえ、メモリの製造コスト及びメモリの信頼性を考慮すると、チップの出荷後及びメモリの使用時において、参照セル及びレプリカセルは、規定されたデータ保持状態を維持していることが好ましい。   Therefore, in consideration of the manufacturing cost of the memory and the reliability of the memory, it is preferable that the reference cell and the replica cell maintain the prescribed data holding state after the chip is shipped and when the memory is used.

例えば、参照電位生成セルRCのMTJ素子において、磁気メモリのチップが実装基板上に搭載される際の熱処理(例えば、半田リフロー工程)の熱に起因して、記憶層の磁化が熱擾乱によって反転する可能性がある。   For example, in the MTJ element of the reference potential generation cell RC, the magnetization of the memory layer is reversed by thermal disturbance due to heat of heat treatment (for example, solder reflow process) when the magnetic memory chip is mounted on the mounting substrate. there's a possibility that.

参照電位生成セルRCとメモリセルMCとが同じ工程同一チップ内に形成されていれば、参照電位生成セル領域31Bは、メモリセルアレイ30の外部に設けられてもよい。また、参照電位生成セル領域31Bは、1カラム分(1組のビット線ペア)の参照電位生成セルRCを含む場合もあるし、2カラム分以上の参照電位生成セルRCを含む場合もある。   If the reference potential generation cell RC and the memory cell MC are formed in the same chip in the same process, the reference potential generation cell region 31B may be provided outside the memory cell array 30. The reference potential generation cell region 31B may include one column (one bit line pair) of reference potential generation cells RC, or may include two or more columns of reference potential generation cells RC.

図2及び図3において、カラム方向に延在するように設けられた参照電位生成セル領域31Bが示され、カラム方向に配列された複数の参照電位生成セルは共通のビット線(参照ビット線)に接続される。参照電位生成セル領域31Bは、メモリセル領域31Aにロウ方向に隣接している。ただし、磁気メモリの仕様に応じて、メモリセルアレイ30のカラム方向の一端(終端)に、参照電位生成セル領域31Bが設けられてもよい。この場合、参照電位生成セル領域31Bがロウ方向に延在するようにメモリセルアレイ1内に設けられ、ロウ方向に配列された参照電位生成セルRCが共通のワード線(参照ワード線)に接続される。   2 and 3, a reference potential generation cell region 31B provided so as to extend in the column direction is shown, and a plurality of reference potential generation cells arranged in the column direction are common bit lines (reference bit lines). Connected to. The reference potential generation cell region 31B is adjacent to the memory cell region 31A in the row direction. However, the reference potential generation cell region 31B may be provided at one end (termination) in the column direction of the memory cell array 30 according to the specifications of the magnetic memory. In this case, the reference potential generation cell region 31B is provided in the memory cell array 1 so as to extend in the row direction, and the reference potential generation cells RC arranged in the row direction are connected to a common word line (reference word line). The

(b) 磁気抵抗効果素子
図5乃至図8を参照して、本実施形態の磁気抵抗効果素子1Aについて説明する。
図5は、本実施形態の磁気抵抗効果素子(MTJ素子)1Aの構造を示す断面図である。
(B) Magnetoresistive effect element
The magnetoresistive effect element 1A of the present embodiment will be described with reference to FIGS.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing the structure of the magnetoresistive effect element (MTJ element) 1A of this embodiment.

図5に示されるように、本実施形態のMTJ素子1Aは、記憶層10、参照層12及び非磁性層11を含む。非磁性層11は、記憶層10と参照層12との間に設けられている。図5に示されるMTJ素子1Aは、例えば、トップピン型のMTJ素子であり、記憶層10上に非磁性層11が積層され、非磁性層11上に参照層12が積層されている
上述のように、記憶層10は、磁化の向きが反転可能である。参照層12は、記憶層10よりも大きい磁化反転しきい値を有し、参照層12の磁化の向きは実質的に固定状態である。スピン注入磁化反転方式を用いたデータ書き込みを考慮した場合、記憶層10は、ダンピング定数が小さい材料を用いて形成されることが好ましい。
As shown in FIG. 5, the MTJ element 1 </ b> A of the present embodiment includes a storage layer 10, a reference layer 12, and a nonmagnetic layer 11. The nonmagnetic layer 11 is provided between the storage layer 10 and the reference layer 12. An MTJ element 1A shown in FIG. 5 is, for example, a top pin type MTJ element, in which a nonmagnetic layer 11 is stacked on a storage layer 10, and a reference layer 12 is stacked on the nonmagnetic layer 11. As described above, the magnetization direction of the storage layer 10 can be reversed. The reference layer 12 has a magnetization reversal threshold value larger than that of the storage layer 10, and the magnetization direction of the reference layer 12 is substantially fixed. In consideration of data writing using the spin injection magnetization reversal method, the storage layer 10 is preferably formed using a material having a small damping constant.

本実施形態のMTJ素子1Aは、垂直磁化型のMTJ素子である。
記憶層10及び参照層12は、磁性層10,12の膜面に対して垂直方向に磁気異方性を有している。記憶層10の磁化及び参照層12の磁化は、膜面に対して垂直方向を向いている。磁化が膜面に対して垂直方向を向く磁性体(磁性層、磁性膜)のことを、垂直磁化膜ともよぶ。
The MTJ element 1A of the present embodiment is a perpendicular magnetization type MTJ element.
The storage layer 10 and the reference layer 12 have magnetic anisotropy in the direction perpendicular to the film surfaces of the magnetic layers 10 and 12. The magnetization of the storage layer 10 and the magnetization of the reference layer 12 are in the direction perpendicular to the film surface. A magnetic material (magnetization layer, magnetic film) whose magnetization is perpendicular to the film surface is also called a perpendicular magnetization film.

MTJ素子1Aが含む磁性層(記憶層及び参照層)10,12の垂直磁気異方性は、例えば、磁性体(磁性層)の結晶磁気異方性を利用して形成される。   The perpendicular magnetic anisotropy of the magnetic layers (storage layer and reference layer) 10 and 12 included in the MTJ element 1A is formed, for example, using the magnetocrystalline anisotropy of the magnetic body (magnetic layer).

結晶磁気異方性を利用した垂直磁化型のMTJ素子1Aは、結晶のc軸が膜面に対して垂直方向に対応するため、各結晶粒が膜の面内方向において回転したとしても、結晶のc軸は膜面に対して垂直方向を保ったままで分散しない。それゆえ、垂直磁化膜は、結晶軸の分散を抑制できる。   In the perpendicular magnetization type MTJ element 1A utilizing the magnetocrystalline anisotropy, since the c-axis of the crystal corresponds to the direction perpendicular to the film surface, even if each crystal grain rotates in the in-plane direction of the film, The c-axis does not disperse while maintaining the direction perpendicular to the film surface. Therefore, the perpendicular magnetization film can suppress the dispersion of crystal axes.

例えば、大きな結晶磁気異方性エネルギー密度を有する材料として、Co−Cr合金が挙げられる。Co−Cr合金材料の結晶構造は、六方晶構造であり、c軸を磁化容易軸とした一軸の結晶磁気異方性を有する。そのため、Co−Cr合金を用いた磁性層の結晶方位において、結晶のc軸が膜面の垂直方向と平行になるように、Co−Cr合金の結晶成長の方向が制御される。これによって、結晶磁気異方性を利用した磁性層における結晶軸の分散が、抑制される。   For example, a Co—Cr alloy is given as a material having a large magnetocrystalline anisotropy energy density. The crystal structure of the Co—Cr alloy material is a hexagonal crystal structure and has a uniaxial magnetocrystalline anisotropy with the c-axis as the easy axis of magnetization. Therefore, in the crystal orientation of the magnetic layer using the Co—Cr alloy, the crystal growth direction of the Co—Cr alloy is controlled so that the c-axis of the crystal is parallel to the perpendicular direction of the film surface. Thereby, dispersion of crystal axes in the magnetic layer utilizing magnetocrystalline anisotropy is suppressed.

これと同様に、正方晶構造の磁性層をMTJ素子1Aに用いた場合においても、c軸を膜面に対して垂直方向に制御することによって、垂直磁化型のMTJ構成を実現することが可能になる。正方晶構造の磁性材料は、例えば、L1型の結晶構造を有する材料が用いられる。例えば、Fe−Pt規則合金、Fe−Pd規則合金、Co−Pt規則合金、Fe−Co−Pt規則合金、Fe−Ni−Pt規則合金、Fe−Ni−Pd規則合金等が挙げられる。L1型の結晶構造の材料を、垂直磁化膜として用いるには、その結晶配向性が(001)面に優先配向させることが好ましい。 Similarly, even when a tetragonal magnetic layer is used for the MTJ element 1A, it is possible to realize a perpendicular magnetization type MTJ configuration by controlling the c-axis in the direction perpendicular to the film surface. become. Magnetic material tetragonal structure, for example, a material having an L1 0 type crystal structure is used. For example, Fe—Pt ordered alloy, Fe—Pd ordered alloy, Co—Pt ordered alloy, Fe—Co—Pt ordered alloy, Fe—Ni—Pt ordered alloy, Fe—Ni—Pd ordered alloy and the like can be mentioned. L1 0 type of the material of the crystal structure, the use as a perpendicular magnetization film, the crystal orientation is (001) it is preferable to preferentially oriented surface.

MTJ素子1Aの磁性層10,12の垂直磁気異方性は、積層膜の界面の歪みや界面の電子状態に起因する磁性層の界面磁気異方性を利用して発現されてもよい。結晶磁気異方性を利用した場合と同様に、磁性層10,12の垂直磁気異方性が界面磁気異方性によって形成された場合においても、結晶軸の分散を抑制できる。結晶軸の分散が抑制されることによって、反転しきい値電流の増大が抑制される。   The perpendicular magnetic anisotropy of the magnetic layers 10 and 12 of the MTJ element 1A may be expressed by utilizing the interfacial magnetic anisotropy of the magnetic layer resulting from the strain at the interface of the laminated film or the electronic state of the interface. Similarly to the case where the magnetocrystalline anisotropy is utilized, even when the perpendicular magnetic anisotropy of the magnetic layers 10 and 12 is formed by the interfacial magnetic anisotropy, the dispersion of the crystal axes can be suppressed. By suppressing the dispersion of the crystal axes, an increase in the inversion threshold current is suppressed.

界面磁気異方性を利用した垂直磁化膜には、例えば、人工格子がある。人工格子の一例として、磁性体のCoと非磁性体のPt(又はPd)とが交互に積層された構造が、挙げられる。人工格子内の各磁性体(各層)は、磁気異方性エネルギー密度の向上のため、0.3〜1.0nm程度の膜厚であることが好ましい。但し、人工格子内の各層体の膜厚が薄くなると、スピンポンピング効果がより顕著になり、人工格子のダンピング定数が大きくなる。それゆえ、人工格子が記憶層10に用いられる場合、人工格子の各層の膜厚を考慮することが好ましい。   For example, an artificial lattice is used as the perpendicular magnetization film using the interface magnetic anisotropy. An example of an artificial lattice is a structure in which magnetic Co and nonmagnetic Pt (or Pd) are alternately stacked. Each magnetic body (each layer) in the artificial lattice preferably has a thickness of about 0.3 to 1.0 nm in order to improve the magnetic anisotropic energy density. However, when the thickness of each layer in the artificial lattice is reduced, the spin pumping effect becomes more prominent and the damping constant of the artificial lattice increases. Therefore, when an artificial lattice is used for the storage layer 10, it is preferable to consider the film thickness of each layer of the artificial lattice.

垂直磁化型のMTJ素子1Aは、面内磁化型のMTJ素子に比較して、結晶軸の分散を抑制できる。垂直磁化型のMTJ素子1Aは、磁気異方性エネルギー密度を大きくするために、面内磁化型のMTJ素子のように、磁性層の膜厚を大きくしたり、MTJ素子のアスペクト比を大きくしたりしなくともよい。例えば、垂直磁化型のMTJ素子1Aは、そのアスペクト比を1にできる。それゆえ、垂直磁化型のMTJ素子1Aは、アスペクト比を小さくでき、微細化にも適している。尚、メモリセル20内のMTJ素子1Aは、トップピン型でもよいし、ボトムピン型でもよい。   The perpendicular magnetization type MTJ element 1A can suppress the dispersion of crystal axes as compared with the in-plane magnetization type MTJ element. In order to increase the magnetic anisotropy energy density, the perpendicular magnetization type MTJ element 1A increases the film thickness of the magnetic layer or increases the aspect ratio of the MTJ element like the in-plane magnetization type MTJ element. You do n’t have to. For example, the aspect ratio of the perpendicular magnetization type MTJ element 1A can be 1. Therefore, the perpendicular magnetization type MTJ element 1A can reduce the aspect ratio and is suitable for miniaturization. The MTJ element 1A in the memory cell 20 may be a top pin type or a bottom pin type.

非磁性層11は、例えば、酸化マグネシウム(MgO)膜である。MgO膜のような絶縁膜が用いられた非磁性層11は、トンネルバリア層とよばれる。以下では、非磁性層のことを、トンネルバリア層11とよぶ。   The nonmagnetic layer 11 is, for example, a magnesium oxide (MgO) film. The nonmagnetic layer 11 using an insulating film such as a MgO film is called a tunnel barrier layer. Hereinafter, the nonmagnetic layer is referred to as a tunnel barrier layer 11.

例えば、酸化カルシウム(CaO)、酸化ストロンチウム(SrO)、酸化チタン(TiO)、酸化バナジウム(VO)、酸化ニオブ(NbO)及び酸化アルミニウム(Al)が、非磁性層に用いられてもよい。Mg窒化物やAl窒化物が、非磁性層に用いられてもよい。また、これらの酸化物及び窒化物の単層膜に限らず、これらの絶縁体の積層膜が、非磁性層11に用いられてもよい。 For example, calcium oxide (CaO), strontium oxide (SrO), titanium oxide (TiO), vanadium oxide (VO), niobium oxide (NbO), and aluminum oxide (Al 2 O 3 ) may be used for the nonmagnetic layer. Good. Mg nitride or Al nitride may be used for the nonmagnetic layer. Further, not only a single layer film of these oxides and nitrides, but also a laminated film of these insulators may be used for the nonmagnetic layer 11.

MgOは、塩化ナトリウム(NaCl)構造の結晶構造を有する。MgOのようにNaCl構造を有する材料が、非磁性層(トンネルバリア層)11として用いられる場合、非磁性層11としてのMgO膜は結晶配向している、例えば、bcc(001)面(又は方位)及びそれに等価な面(又は方位)に優先配向している、ことが好ましい。   MgO has a crystal structure of a sodium chloride (NaCl) structure. When a material having a NaCl structure such as MgO is used as the nonmagnetic layer (tunnel barrier layer) 11, the MgO film as the nonmagnetic layer 11 has a crystal orientation, for example, a bcc (001) plane (or orientation) ) And its equivalent plane (or orientation).

記憶層10とトンネルバリア層11との間、及び、参照層12とトンネルバリア層11との間に、界面層(図示せず)が設けられてもよい。界面層は、トンネルバリア層11に接触する磁性層である。なお、記憶層10及び参照層12とは別途に設けられた磁性層だけでなく、トンネルバリア層11に接触する記憶層10又は参照層12の部分(領域)を界面層とよぶ場合もある。界面層は、トンネルバリア層11と磁性層10,12との格子不整合を緩和し、トンネルバリア層11及び磁性層10,12の結晶性を改善させる。この結果として、MTJ素子の特性(例えば、MR比)が向上する。界面層は、Co(コバルト)、Fe(鉄)及びB(ボロン)を含むグループのうち少なくとも2つの元素を含む磁性層を用いて、形成される。ただし、界面層の材料は、Co、Fe又はBを含む磁性層に限定されない。   An interface layer (not shown) may be provided between the storage layer 10 and the tunnel barrier layer 11 and between the reference layer 12 and the tunnel barrier layer 11. The interface layer is a magnetic layer that contacts the tunnel barrier layer 11. In addition, the memory layer 10 and the reference layer 12 may be referred to as not only a magnetic layer provided separately, but also a portion (region) of the memory layer 10 or the reference layer 12 in contact with the tunnel barrier layer 11 as an interface layer. The interface layer relaxes the lattice mismatch between the tunnel barrier layer 11 and the magnetic layers 10 and 12 and improves the crystallinity of the tunnel barrier layer 11 and the magnetic layers 10 and 12. As a result, the characteristics (for example, MR ratio) of the MTJ element are improved. The interface layer is formed using a magnetic layer containing at least two elements from the group containing Co (cobalt), Fe (iron), and B (boron). However, the material of the interface layer is not limited to the magnetic layer containing Co, Fe, or B.

本実施形態のMTJ素子1Aは、シフト調整層(バイアス層又はシフト磁界調整層ともよばれる)13を含む。シフト調整層13は、参照層12におけるトンネルバリア層11が設けられた側(面)に対して反対側(対向する面)に設けられている。すなわち、シフト調整層13は、参照層12上に積層され、参照層は、トンネルバリア層11とシフト調整層13との間に挟まれている。   The MTJ element 1A of the present embodiment includes a shift adjustment layer (also called a bias layer or a shift magnetic field adjustment layer) 13. The shift adjustment layer 13 is provided on the side (surface) opposite to the side (surface) on which the tunnel barrier layer 11 is provided in the reference layer 12. That is, the shift adjustment layer 13 is stacked on the reference layer 12, and the reference layer is sandwiched between the tunnel barrier layer 11 and the shift adjustment layer 13.

シフト調整層13は、磁性層である。シフト調整層13は、記憶層10及び参照層12と同様に、垂直磁化膜である。シフト調整層13の磁化の向きは、固定状態であり、書き込み電流Iwが供給されても、磁化の向きが反転しない(不変である)ように、シフト調整層13が形成されている。   The shift adjustment layer 13 is a magnetic layer. The shift adjustment layer 13 is a perpendicular magnetization film like the storage layer 10 and the reference layer 12. The direction of magnetization of the shift adjustment layer 13 is fixed, and the shift adjustment layer 13 is formed so that the direction of magnetization does not reverse (is unchanged) even when the write current Iw is supplied.

シフト調整層13の磁化の向きと参照層12の磁化の向きとは、例えば、互いに反対(磁化配列が反平行状態)になっている。これによって、メモリの動作時において、シフト調整層13は、参照層12からの漏れ磁場を実質的にゼロにし、参照層12からの漏れ磁場に起因して記憶層10内に生じるシフト磁界を、低減する。   For example, the magnetization direction of the shift adjustment layer 13 and the magnetization direction of the reference layer 12 are opposite to each other (the magnetization arrangement is in an antiparallel state). Thereby, during the operation of the memory, the shift adjustment layer 13 substantially eliminates the leakage magnetic field from the reference layer 12, and the shift magnetic field generated in the storage layer 10 due to the leakage magnetic field from the reference layer 12 is To reduce.

例えば、参照層12の保磁力とシフト調整層13の保磁力との大きさの制御や、参照層12とシフト調整層13との間の反強磁性結合によって、参照層12の磁化の向きとシフト調整層13の磁化の向きとが、互いに反対の向きに設定される。   For example, the magnetization direction of the reference layer 12 is controlled by controlling the magnitude of the coercive force of the reference layer 12 and the coercive force of the shift adjustment layer 13 or by antiferromagnetic coupling between the reference layer 12 and the shift adjustment layer 13. The magnetization directions of the shift adjustment layer 13 are set to be opposite to each other.

シフト調整層を含まない垂直磁化型のMTJ素子は、参照層12からの漏れ磁場に起因して、記憶層10のシフト磁界がゼロにならない場合がある。記憶層10のシフト磁界がゼロにならない場合、記憶層10と参照層12との磁化配列は、相対的に安定な平行状態(“0”データ保持状態、低抵抗状態)に固定されてしまう可能性がある。参照層12からの漏れ磁場に起因して、大きいシフト磁界が発生する場合、スピントルクによって“1”データに書き換えられたメモリセルの情報(MTJ素子のデータ保持状態)は、漏れ磁場によって直ちに“0”データに戻ってしまう可能性がある。   In the perpendicular magnetization type MTJ element that does not include the shift adjustment layer, the shift magnetic field of the storage layer 10 may not become zero due to the leakage magnetic field from the reference layer 12 in some cases. When the shift magnetic field of the storage layer 10 does not become zero, the magnetization arrangement of the storage layer 10 and the reference layer 12 may be fixed in a relatively stable parallel state (“0” data holding state, low resistance state). There is sex. When a large shift magnetic field is generated due to the leakage magnetic field from the reference layer 12, the information of the memory cell (data holding state of the MTJ element) rewritten to “1” data by the spin torque is immediately “ There is a possibility of returning to 0 "data.

そのため、本実施形態のMTJ素子1Aのように、信頼性の高いメモリ動作のために、シフト調整層13がMTJ素子1A内に設けられることによって、メモリ動作時におけるMTJ素子1A内の参照層12の漏れ磁場が低減され、記憶層10に印加されるシフト磁界が実質的にゼロにされる。これによって、本実施形態のMTJ素子1Aは、メモリの動作時において、“1”データ保持状態(高抵抗状態、反平行状態)及び“0”データ保持状態(低抵抗状態、平行状態)の双方をとり得る。   Therefore, as in the MTJ element 1A of the present embodiment, the shift adjustment layer 13 is provided in the MTJ element 1A for a reliable memory operation, so that the reference layer 12 in the MTJ element 1A during the memory operation is provided. And the shift magnetic field applied to the storage layer 10 is substantially zero. As a result, the MTJ element 1A of the present embodiment has both a “1” data holding state (high resistance state and antiparallel state) and a “0” data holding state (low resistance state and parallel state) during memory operation. Can take.

中間層(スペーサー層又は挿入膜ともよばれる)が、参照層12とシフト調整層13との間に設けられてもよい。中間層は、参照層12とシフト調整層13との間の原子の拡散を抑制する。これによって、拡散した原子が、参照層12及びシフト調整層13のそれぞれに対して不純物となり、参照層12及びシフト調整層13の特性が劣化するのを抑制できる。中間層には、例えば、タンタル(Ta)、タングステン(W)、ニオブ(Nb)、又は、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)などの金属が用いられる。例えば、参照層12とシフト調整層13とが、反強磁性接合を形成する場合、中間層の材料に依存する場合がある。   An intermediate layer (also called a spacer layer or an insertion film) may be provided between the reference layer 12 and the shift adjustment layer 13. The intermediate layer suppresses the diffusion of atoms between the reference layer 12 and the shift adjustment layer 13. Accordingly, it is possible to suppress the diffused atoms from becoming impurities with respect to each of the reference layer 12 and the shift adjustment layer 13 and deteriorating the characteristics of the reference layer 12 and the shift adjustment layer 13. For the intermediate layer, for example, a metal such as tantalum (Ta), tungsten (W), niobium (Nb), molybdenum (Mo), or ruthenium (Ru) is used. For example, when the reference layer 12 and the shift adjustment layer 13 form an antiferromagnetic junction, the reference layer 12 and the shift adjustment layer 13 may depend on the material of the intermediate layer.

下地層が、MTJ素子1Aに対して設けられてもよい。例えば、下地層は、記憶層10におけるトンネルバリア層11が設けられた側と反対側に設けられている。MTJ素子がトップピン型の構造を有する場合、記憶層10は、下地層上に積層される。記憶層10は、下地層とトンネルバリア層との間に設けられている。記憶層10の磁化特性の向上のため、記憶層10の材料に応じて、原子稠密面を有する材料が、下地層に用いられてもよい。例えば、下地層には、白金(Pt)、Pd(パラジウム)、イリジウム(Ir)、タングステン(W)、タンタル(Ta)、ハフニウム(Hf)、金属窒化物などが、原子稠密面を有する下地層の材料として、用いられる。例えば、図3に示されるMTJ素子1Aの下部電極51が、MTJ素子1Aが含む磁性層の結晶性を改善するための下地層としての機能を有してもよい。この場合、下部電極51は、下部電極51に接触する磁性層に対して格子不整合の小さい材料が用いられることが好ましい。図3に示されるMTJ素子1Aの上部電極52は、MTJ素子1Aを所定の形状に加工するためのハードマスクとして用いられてもよい。   An underlayer may be provided for the MTJ element 1A. For example, the underlayer is provided on the side of the storage layer 10 opposite to the side where the tunnel barrier layer 11 is provided. When the MTJ element has a top pin type structure, the memory layer 10 is stacked on the base layer. The memory layer 10 is provided between the base layer and the tunnel barrier layer. In order to improve the magnetization characteristics of the storage layer 10, a material having an atomic dense surface may be used for the underlayer depending on the material of the storage layer 10. For example, for the underlayer, platinum (Pt), Pd (palladium), iridium (Ir), tungsten (W), tantalum (Ta), hafnium (Hf), metal nitride, and the like have an atomic dense surface. It is used as a material for For example, the lower electrode 51 of the MTJ element 1A shown in FIG. 3 may have a function as an underlayer for improving the crystallinity of the magnetic layer included in the MTJ element 1A. In this case, the lower electrode 51 is preferably made of a material having a small lattice mismatch with respect to the magnetic layer in contact with the lower electrode 51. The upper electrode 52 of the MTJ element 1A shown in FIG. 3 may be used as a hard mask for processing the MTJ element 1A into a predetermined shape.

例えば、本実施形態のMTJ素子1Aにおいて、記憶層10、参照層12及びシフト調整層13は、Co及びPtを含む磁性層(合金層又は人工格子)を垂直磁化膜として、含んでいる。   For example, in the MTJ element 1A of the present embodiment, the storage layer 10, the reference layer 12, and the shift adjustment layer 13 include a magnetic layer (alloy layer or artificial lattice) containing Co and Pt as a perpendicular magnetization film.

例えば、磁気メモリの動作保証温度(以下では、メモリ動作温度ともよぶ)は、−30℃程度から+85℃程度までの範囲である。また、磁気メモリは、その製造工程において、例えば、磁気メモリのチップを実装基板上に搭載する際の実装工程において、半田リフロー工程のような120℃より高い温度領域(例えば、160℃〜320℃程度)の加熱処理が、施される。それゆえ、磁気メモリの仕様に対して、その製造工程及びメモリの使用(メモリ動作)において、−30℃から320℃程度の温度が印加される可能性を、考慮することが好ましい。   For example, the operation guarantee temperature of the magnetic memory (hereinafter also referred to as the memory operation temperature) is in the range from about −30 ° C. to about + 85 ° C. In addition, in the manufacturing process of the magnetic memory, for example, in the mounting process when the chip of the magnetic memory is mounted on the mounting substrate, a temperature region higher than 120 ° C. (for example, 160 ° C. to 320 ° C.) as in the solder reflow process. Degree) of heat treatment. Therefore, it is preferable to consider the possibility that a temperature of about −30 ° C. to 320 ° C. is applied in the manufacturing process and use of the memory (memory operation) with respect to the specifications of the magnetic memory.

以下では、半田リフロー工程時の熱処理の温度のように、実装工程時に与えられる高い領域の温度Tのことを、実装温度Tとよぶ。例えば、実装温度Tは、加熱源から発せられる温度だけでなく、チップ又はパッケージ装置の表面温度、端子の接合部の温度も含む。 Hereinafter, the temperature T j of a high region given during the mounting process, such as the temperature of the heat treatment during the solder reflow process, is referred to as the mounting temperature T j . For example, the mounting temperature T j includes not only the temperature emitted from the heating source but also the surface temperature of the chip or the package device and the temperature of the junction of the terminals.

図6は、本実施形態のMTJ素子1Aにおける参照層12の磁化とシフト調整層13の磁化の温度依存性(以下、磁化温度依存性又は磁化温度特性とよぶ)を模式的に示している。   FIG. 6 schematically shows the temperature dependence of the magnetization of the reference layer 12 and the magnetization of the shift adjustment layer 13 in the MTJ element 1A of the present embodiment (hereinafter referred to as magnetization temperature dependence or magnetization temperature characteristic).

図6の横軸は、温度(単位:℃)を示し、図6の縦軸は、参照層12及びシフト調整層13の磁化(磁場)Msの大きさ(任意単位)を示している。図6において、特性線LM1は、参照層12の磁化温度依存性を示し、特性線LM2は、シフト調整層13の磁化温度依存性を示している。   The horizontal axis of FIG. 6 represents temperature (unit: ° C.), and the vertical axis of FIG. 6 represents the magnitude (arbitrary unit) of the magnetization (magnetic field) Ms of the reference layer 12 and the shift adjustment layer 13. In FIG. 6, the characteristic line LM1 indicates the magnetization temperature dependency of the reference layer 12, and the characteristic line LM2 indicates the magnetization temperature dependency of the shift adjustment layer 13.

図6に示されるように、本実施形態において、参照層12及びシフト調整層13は、互いに異なる磁化温度依存性LM1,LM2を有する。   As shown in FIG. 6, in the present embodiment, the reference layer 12 and the shift adjustment layer 13 have different magnetization temperature dependencies LM1 and LM2.

本実施形態のMTJ素子1Aにおいて、参照層12が含むCo及びPtの組成比とシフト調整層13が含むCo及びPtの組成比とが異なることによって、磁化温度依存性が互いに異なる参照層12とシフト調整層13とが形成される。   In the MTJ element 1A of the present embodiment, the composition ratio of Co and Pt included in the reference layer 12 and the composition ratio of Co and Pt included in the shift adjustment layer 13 are different from each other. The shift adjustment layer 13 is formed.

図6における各磁性層の磁化温度依存性LM1,LM2に示されるように、温度が高くなるにしたがって、参照層12の磁化は、シフト調整層13の磁化よりも、大きく減衰する。   As shown in the magnetization temperature dependence LM1 and LM2 of each magnetic layer in FIG. 6, the magnetization of the reference layer 12 attenuates more than the magnetization of the shift adjustment layer 13 as the temperature increases.

図6において、120℃以下の温度領域において、参照層12の磁化の大きさは、シフト調整層13の磁化の大きさと実質的に同じである。   In FIG. 6, the magnitude of the magnetization of the reference layer 12 is substantially the same as the magnitude of the magnetization of the shift adjustment layer 13 in a temperature region of 120 ° C. or less.

ここで、図7及び図8を参照して、ある温度条件下におけるMTJ素子の磁気特性について述べる。   Here, the magnetic characteristics of the MTJ element under a certain temperature condition will be described with reference to FIGS.

図7を用いて、本実施形態のMTJ素子1Aが、100℃以下の温度条件下に存在する場合について、説明する。   A case where the MTJ element 1A of the present embodiment exists under a temperature condition of 100 ° C. or lower will be described with reference to FIG.

図7の(a)は、100℃以下の温度条件下におけるR−Hループを示している。図7の(a)の縦軸は、MTJ素子1Aにおける反平行状態(“1”データ保持状態)の抵抗値R1と平行状態(“0データ保持状態”)の抵抗値R0との比(R1/R0)を示している。図7の(a)の横軸は、外部磁場Hext(単位:kOe)を示している。 FIG. 7A shows an RH loop under a temperature condition of 100 ° C. or lower. The vertical axis of FIG. 7A represents the ratio (R1) of the resistance value R1 in the anti-parallel state (“1” data holding state) and the resistance value R0 in the parallel state (“0 data holding state”) in the MTJ element 1A. / R0). The horizontal axis of (a) of FIG. 7 has shown the external magnetic field Hext (unit: kOe).

図7の(a)において、一点鎖線で示された特性線A1は、外部磁場による記憶層の反転ヒステリシス(以下、マイナーループとよぶ)を示している。図7の(a)において、点線で示された特性線B1は、外部磁場による参照層の反転ヒステリシス(以下、メジャーループとよぶ)を示している。図7の(a)において、実線で示された特性線C1は、シフト磁界を示している。ここで、記憶層の保磁力Hcは、500Oeに設定され、MTJ素子のMR比=(R1−R0)/R0は、200%に設定されている。また、100℃以下の温度条件下において、漏れ磁場によるシフト磁界Hshiftは、0Oeに設定されている。   In FIG. 7A, a characteristic line A1 indicated by an alternate long and short dash line indicates reversal hysteresis (hereinafter referred to as a minor loop) of the storage layer due to an external magnetic field. In FIG. 7A, a characteristic line B1 indicated by a dotted line indicates inversion hysteresis (hereinafter referred to as a major loop) of the reference layer due to an external magnetic field. In FIG. 7A, a characteristic line C1 indicated by a solid line indicates a shifted magnetic field. Here, the coercive force Hc of the storage layer is set to 500 Oe, and the MR ratio of the MTJ element = (R1−R0) / R0 is set to 200%. Further, under a temperature condition of 100 ° C. or less, the shift magnetic field Hshift due to the leakage magnetic field is set to 0 Oe.

図7の(b)において、本実施形態のMTJ素子1Aが100℃以下の温度条件下における、MTJ素子1Aが含む各磁性層10,12,13の磁化80,81,82の状態及び漏れ磁場88,89の状態を模式的に示している。   In FIG. 7B, the state of the magnetizations 80, 81, 82 of each of the magnetic layers 10, 12, 13 included in the MTJ element 1A and the leakage magnetic field when the MTJ element 1A of the present embodiment is at a temperature of 100 ° C. or less. The states of 88 and 89 are schematically shown.

図6及び図7の(b)に示されるように、100℃以下において、参照層12の漏れ磁場88は、シフト調整層13の漏れ磁場89と実質的に同じ大きさを有する。そして、参照層12の磁化81の向きは、シフト調整層13の磁化82の向きに対して、互いに反対方向になっている。参照層12の漏れ磁場88及びシフト調整層89の漏れ磁場89の向きも互いに反対である。そのため、記憶層10に印加される漏れ磁場88,89は、相殺される。このように、100℃以下の磁気メモリの動作時の温度状態において、記憶層10に印加されるシフト磁界はキャンセルされる。   As shown in FIGS. 6 and 7B, the leakage magnetic field 88 of the reference layer 12 has substantially the same magnitude as the leakage magnetic field 89 of the shift adjustment layer 13 at 100 ° C. or lower. The direction of the magnetization 81 of the reference layer 12 is opposite to the direction of the magnetization 82 of the shift adjustment layer 13. The directions of the leakage magnetic field 88 of the reference layer 12 and the leakage magnetic field 89 of the shift adjustment layer 89 are also opposite to each other. Therefore, the leakage magnetic fields 88 and 89 applied to the storage layer 10 are canceled out. Thus, the shift magnetic field applied to the storage layer 10 is canceled in the temperature state during operation of the magnetic memory of 100 ° C. or lower.

本実施形態において、参照層12の漏れ磁場88がシフト調整層13の漏れ磁場89によって相殺され、記憶層10に印加されるシフト磁界が実質的にキャンセルされる状態のことを、シフトキャンセル状態とよぶ。尚、シフトキャンセル状態は、シフト磁界がほぼゼロの状態であって、シフトキャンセル状態時のシフト磁界の大きさは、100Oe(絶対値)未満になっている。   In the present embodiment, a state in which the leakage magnetic field 88 of the reference layer 12 is canceled by the leakage magnetic field 89 of the shift adjustment layer 13 and the shift magnetic field applied to the storage layer 10 is substantially canceled is referred to as a shift cancellation state. Call it. In the shift cancel state, the shift magnetic field is almost zero, and the magnitude of the shift magnetic field in the shift cancel state is less than 100 Oe (absolute value).

図7の(a)におけるマイナーループA1に示されるように、MTJ素子1Aがシフトキャンセル状態である場合において、記憶層10の磁化の向きは、参照層12からの漏れ磁場の影響をほとんど受けずに、スピントルクによって反転可能である。   As shown in the minor loop A1 in FIG. 7A, when the MTJ element 1A is in the shift cancel state, the magnetization direction of the storage layer 10 is hardly affected by the leakage magnetic field from the reference layer 12. Furthermore, it can be reversed by the spin torque.

図8を用いて、本実施形態のMTJ素子1Aが、100℃より高い温度条件下に存在する場合について、説明する。   A case where the MTJ element 1A of the present embodiment exists under a temperature condition higher than 100 ° C. will be described with reference to FIG.

図8の(a)は、230℃以上の温度条件下におけるR−Hループを示している。図8の(a)の縦軸は、MTJ素子における磁化反平行状態(“1”データ保持状態)の抵抗値R1と平行状態(“0データ保持状態”)の抵抗値R0との比(R1/R0)を示している。図8の(a)の横軸は、外部磁場Hext(単位:kOe)を示している。 FIG. 8A shows an RH loop under a temperature condition of 230 ° C. or higher. The vertical axis of FIG. 8A represents the ratio (R1) between the resistance value R1 of the MTJ element in the magnetization antiparallel state (“1” data holding state) and the resistance value R0 of the parallel state (“0 data holding state”). / R0). The horizontal axis of (a) of FIG. 8 has shown the external magnetic field Hext (unit: kOe).

図8の(a)において、一点鎖線で示された特性線A2は、外部磁場によるマイナーループを示し、点線で示された特性線B2は、外部磁場によるメジャーループを示している。図8の(a)において、実線で示された特性線C2は、シフト磁界を示している。記憶層の保磁力Hcは、500Oeに設定され、MTJ素子のMR比=(R1−R0)/R0は、200%に設定されている。230℃以上の温度条件下において、シフト磁界Hshiftは、−1000Oeに設定されている。   In FIG. 8A, a characteristic line A2 indicated by a one-dot chain line indicates a minor loop due to an external magnetic field, and a characteristic line B2 indicated by a dotted line indicates a major loop due to an external magnetic field. In FIG. 8A, a characteristic line C2 indicated by a solid line indicates a shifted magnetic field. The coercive force Hc of the storage layer is set to 500 Oe, and the MR ratio of the MTJ element = (R1−R0) / R0 is set to 200%. Under a temperature condition of 230 ° C. or higher, the shift magnetic field Hshift is set to −1000 Oe.

図8の(b)において、本実施形態のMTJ素子1Aが、230℃程度の温度条件下における、MTJ素子1Aが含む各磁性層10,12,13の磁化80X,81X,82Xの状態及び漏れ磁場88X,89Xの状態を模式的に示している。   In FIG. 8B, the MTJ element 1A of the present embodiment is in the state of the magnetizations 80X, 81X, and 82X of each of the magnetic layers 10, 12, and 13 included in the MTJ element 1A under a temperature condition of about 230 ° C. and leakage. The states of the magnetic fields 88X and 89X are schematically shown.

図6及び図8の(b)に示されるように、メモリ動作温度より高い温度領域において、参照層12の磁化81Xの大きさは、シフト調整層13の磁化82Xの大きさよりも小さくなる。それに伴って、参照層12の漏れ磁場88Xの大きさは、シフト調整層13の漏れ磁場89Xの大きさよりも小さくなる。その結果として、230℃以上の温度条件下において、参照層12及びシフト調整層13の漏れ磁場88X,89Xは、キャンセルされない。   As shown in FIGS. 6 and 8B, the magnitude of the magnetization 81X of the reference layer 12 is smaller than the magnitude of the magnetization 82X of the shift adjustment layer 13 in a temperature region higher than the memory operating temperature. Along with this, the magnitude of the leakage magnetic field 88X of the reference layer 12 becomes smaller than the magnitude of the leakage magnetic field 89X of the shift adjustment layer 13. As a result, the leakage magnetic fields 88X and 89X of the reference layer 12 and the shift adjustment layer 13 are not canceled under a temperature condition of 230 ° C. or higher.

そのため、230℃以上の温度条件において、シフト調整層13の漏れ磁場89Xが、記憶層10に影響を及ぼし、その漏れ磁場89Xに起因して記憶層10内にシフト磁界が生じる。シフト磁界が、記憶層10の磁化に印加される。この際、シフト調整層13の漏れ磁場に起因するシフト磁界によって、記憶層10の磁化80Xは、シフト調整層13の漏れ磁場89Xの向きと同じ方向に、すなわち、参照層12の磁化80の向きと反対方向に、固定される。   Therefore, under a temperature condition of 230 ° C. or higher, the leakage magnetic field 89X of the shift adjustment layer 13 affects the storage layer 10, and a shift magnetic field is generated in the storage layer 10 due to the leakage magnetic field 89X. A shift magnetic field is applied to the magnetization of the storage layer 10. At this time, due to the shift magnetic field caused by the leakage magnetic field of the shift adjustment layer 13, the magnetization 80X of the storage layer 10 is in the same direction as the direction of the leakage magnetic field 89X of the shift adjustment layer 13, that is, the direction of the magnetization 80 of the reference layer 12. It is fixed in the opposite direction.

それゆえ、図8の(a)のマイナーループA2に示されるように、230℃程度の温度条件下におけるMTJ素子1Aは、記憶層10及び参照層12の磁化配列が反平行状態である場合に、換言すると、MTJ素子1Aが“1”データ保持状態である場合に、安定にデータを保持できる。   Therefore, as shown in the minor loop A2 of FIG. 8A, the MTJ element 1A under the temperature condition of about 230 ° C. is when the magnetization arrangement of the storage layer 10 and the reference layer 12 is in an antiparallel state. In other words, data can be stably held when the MTJ element 1A is in the “1” data holding state.

尚、記憶層10の磁化も、参照層12及びシフト調整層13と同様に、温度依存性を有する場合もある。   Note that the magnetization of the storage layer 10 may also have temperature dependence, as with the reference layer 12 and the shift adjustment layer 13.

本実施形態において、参照層の漏れ磁場とシフト調整層の漏れ磁場が相殺されずに、シフト調整層の漏れ磁場に起因するシフト磁界が、記憶層に印加される(記憶層内に発生する)状態のことを、過剰キャンセル状態とよぶ。これとは反対に、参照層の漏れ磁場とシフト調整層の漏れ磁場がキャンセルされずに、参照層の漏れ磁場に起因するシフト磁界が、記憶層に印加される状態のことを、不足キャンセル状態とよぶ。例えば、過剰キャンセル状態及び不足キャンセル状態において、シフト磁界の大きさは、例えば、100Oe(絶対値)以上となっている。   In this embodiment, the leakage magnetic field of the reference layer and the leakage magnetic field of the shift adjustment layer are not canceled out, and the shift magnetic field caused by the leakage magnetic field of the shift adjustment layer is applied to the storage layer (generated in the storage layer). This state is called an excessive cancel state. On the contrary, the state in which the shift magnetic field caused by the reference magnetic field leakage magnetic field is not canceled, but the reference layer leakage magnetic field and the shift adjustment magnetic layer leakage magnetic field are not canceled. Called. For example, in the excessive cancellation state and the insufficient cancellation state, the magnitude of the shift magnetic field is, for example, 100 Oe (absolute value) or more.

本実施形態の磁気抵抗効果素子(MTJ素子)1Aは、MTJ素子1Aの磁性層(ここでは、参照層及びシフト調整層)に互いに異なる磁化温度依存性が、与えられる。これによって、本実施形態のMTJ素子1Aは、メモリ動作温度条件下において記憶層10の磁化を反転できるとともに、実装工程時の温度条件において、記憶層10に影響を及ぼす漏れ磁場によって、記憶層10の磁化が固定され、記憶層10の磁化反転が抑制できる。   In the magnetoresistive effect element (MTJ element) 1A of the present embodiment, different magnetization temperature dependencies are given to the magnetic layers (here, the reference layer and the shift adjustment layer) of the MTJ element 1A. As a result, the MTJ element 1A of the present embodiment can reverse the magnetization of the storage layer 10 under the memory operating temperature condition, and the storage layer 10 due to the leakage magnetic field that affects the storage layer 10 under the temperature condition during the mounting process. The magnetization of the storage layer 10 can be suppressed.

それゆえ、本実施形態の磁気抵抗効果素子1Aを含む磁気メモリに対する実装工程時に、実装工程時に印加される熱に起因する熱擾乱によって、参照セルやレプリカセルなどのデータ保持状態が、意図せずに遷移するのを、低減できる。   Therefore, during the mounting process for the magnetic memory including the magnetoresistive effect element 1A of the present embodiment, the data retention state of the reference cell, the replica cell, etc. is not intended due to the thermal disturbance caused by the heat applied during the mounting process. Transition to can be reduced.

したがって、本実施形態の磁気抵抗効果素子1Aによれば、製造工程中の熱に起因したメモリチップの不良を低減できる。   Therefore, according to the magnetoresistive effect element 1A of the present embodiment, it is possible to reduce the defect of the memory chip due to the heat during the manufacturing process.

(c) 具体例
図9を参照して、本実施形態の磁気抵抗効果素子(MTJ素子)が含む磁性層の具体例について説明する。
(C) Specific example
A specific example of the magnetic layer included in the magnetoresistive effect element (MTJ element) of the present embodiment will be described with reference to FIG.

上述のように、温度の上昇に伴って、MTJ素子の参照層12及びシフト調整層13の磁気温度依存性の差が大きくなるように、各磁性層12,13のパラメータを設計することによって、実装工程時の温度条件下において、“1”データ保持状態(または“0”データ保持状態)を安定に維持できるMTJ素子1Aを形成できる。   As described above, by designing the parameters of the magnetic layers 12 and 13 such that the difference in magnetic temperature dependency between the reference layer 12 and the shift adjustment layer 13 of the MTJ element increases as the temperature rises, It is possible to form the MTJ element 1A that can stably maintain the “1” data holding state (or “0” data holding state) under the temperature condition during the mounting process.

実装温度Tの条件下において、熱(熱擾乱)に起因する記憶層10の磁化反転が、漏れ磁場を用いて抑制されるには、記憶層10の熱安定性指標ΔE/(kT)が、実装温度Tにおいて、(式1)を満たすように、本実施形態のMTJ素子1Aにおける記憶層の磁気パラメータが設定されることが好ましい。

Figure 2013069862
In order to suppress the magnetization reversal of the storage layer 10 due to heat (thermal disturbance) under the condition of the mounting temperature T j using the leakage magnetic field, the thermal stability index ΔE / (k B T of the storage layer 10 ) is, at mounting temperature T j, (so as to satisfy the equation 1), it is preferable that the magnetic parameters of the storage layer is set at the MTJ device 1A of the present embodiment.
Figure 2013069862

(式1)において、“ΔE/(k)”は、実装温度Tにおける記憶層の熱安定性指標を示している。“ΔE”は記憶層の磁化反転エネルギーバリアの大きさを示し、“k”はボルツマン定数を示している。“Hext”は漏れ磁場(シフト磁界)を示し、“H eff”は、有効異方性磁界を示している。 In (Equation 1), “ΔE / (k B T j )” represents a thermal stability index of the memory layer at the mounting temperature T j . “ΔE” indicates the size of the magnetization reversal energy barrier of the storage layer, and “k B ” indicates the Boltzmann constant. “H ext ” indicates a leakage magnetic field (shift magnetic field), and “H k eff ” indicates an effective anisotropic magnetic field.

(式1)は、以下の条件を想定している。
1Gbitの記憶容量の磁気メモリ(例えば、MRAM)において、パリティビットを含めた参照電位生成セル(例えば、参照セル)の総数は、72kbitと仮定される。実装工程(例えば、半田リフロー工程)で、1チップにおいて1bitでも参照電位生成セル内のMTJ素子に磁化反転が生じたら、そのチップは不良チップとする。市場における100ppmの初期不良、すなわち、不良チップの確率は、1万個のチップにおいて1チップ以下にする。この場合、参照電位生成セルの磁化反転は、1bit/(72kbit×10000chip)以下に抑制され、参照電位生成セルの磁化反転確率は、1.36×10−9である。
チップ内における記憶層の磁化反転エネルギーバリアΔEのばらつきが、7.2%であると仮定すると、漏れ磁場が存在し、且つ、実装温度Tの条件下において(式1)におけるΔE/(k)の関係を満たすことが、動作の安定化のため好ましい。
(Formula 1) assumes the following conditions.
In a magnetic memory (for example, MRAM) having a storage capacity of 1 Gbit, the total number of reference potential generation cells (for example, reference cells) including parity bits is assumed to be 72 kbit. If magnetization reversal occurs in the MTJ element in the reference potential generation cell even in 1 bit in one chip in the mounting process (for example, solder reflow process), the chip is regarded as a defective chip. The initial defect of 100 ppm in the market, that is, the probability of a defective chip is 1 chip or less in 10,000 chips. In this case, the magnetization reversal of the reference potential generating cell is suppressed to 1 bit / (72 kbit × 10000 chip) or less, and the magnetization reversal probability of the reference potential generating cell is 1.36 × 10 −9 .
Assuming that the variation of the magnetization reversal energy barrier ΔE of the memory layer in the chip is 7.2%, there is a leakage magnetic field, and ΔE / (k in (Equation 1) under the condition of the mounting temperature T j. It is preferable to satisfy the relationship of B T j ) in order to stabilize the operation.

この記憶層の熱安定性指標の大きさは、参照セルの個数、磁化反転エネルギーバリアΔEのばらつきに依存する。例えば、記憶層の磁化反転エネルギーバリアΔEのばらつきが6%まで低減でき、参照セルの数が18kbまで削減できる場合、漏れ磁場の存在下、且つ、実装温度条件下において、(式1)の左辺の各パラメータから得られる値が49.5より大きくなることが好ましい。尚、一般的なMRAMにおいて、記憶層の磁化反転エネルギーバリアΔE/(kT)の範囲は、48〜56程度である。 The size of the thermal stability index of the storage layer depends on the number of reference cells and the variation of the magnetization reversal energy barrier ΔE. For example, when the variation of the magnetization reversal energy barrier ΔE of the storage layer can be reduced to 6% and the number of reference cells can be reduced to 18 kb, the left side of (Formula 1) in the presence of a leakage magnetic field and under mounting temperature conditions It is preferable that the value obtained from each parameter is greater than 49.5. In the general MRAM, the range of the magnetization reversal energy barrier ΔE / (k B T) of the storage layer is about 48 to 56.

尚、ここでは、実装温度Tとして、半田リフロー温度を用いる。半田リフロー温度を260℃に設定し、本実施形態のMTJ素子1Aの磁性層のパラメータについて説明する。但し、実装温度Tとしての半田リフロー温度は、160℃から320℃の範囲内であれば、どの値でもよい。 Here, as the mounting temperature T j, using a solder reflow temperature. The parameters of the magnetic layer of the MTJ element 1A of this embodiment will be described with the solder reflow temperature set at 260 ° C. However, the solder reflow temperature as the mounting temperature T j may be any value as long as it is within the range of 160 ° C. to 320 ° C.

図9を用いて、本実施形態のMTJ素子1Aにおいて、参照層12及びシフト調整層13が、CoとPtとを含む磁性層が用いられた場合について、その磁性層を用いた参照層12及びシフト調整層13のパラメータについて説明する。   With reference to FIG. 9, in the MTJ element 1A of the present embodiment, when a magnetic layer containing Co and Pt is used as the reference layer 12 and the shift adjustment layer 13, the reference layer 12 using the magnetic layer and The parameters of the shift adjustment layer 13 will be described.

図9は、CoとPtとの組成比が異なる磁性層(以下では、CoPt層と表記する)の磁化温度依存性を示している。図9の横軸は、温度(単位:℃)を示し、図9の縦軸は、85℃で規格化された飽和磁化Msを示している。   FIG. 9 shows the magnetization temperature dependence of magnetic layers (hereinafter referred to as CoPt layers) having different composition ratios of Co and Pt. The horizontal axis in FIG. 9 indicates temperature (unit: ° C.), and the vertical axis in FIG. 9 indicates saturation magnetization Ms normalized at 85 ° C.

図9において、組成比が異なる3つのCoPt層(人工格子又は合金)の磁化温度依存性が示されている。図9において、白丸のプロットは、Coの組成比が“1”及びPtの組成比が“2”のCoPt層(Co:Pt=1:2)における磁化温度依存性を示している。四角のプロットは、Coの組成比が“1,5”及びPtの組成比が“1”のCoPt層(Co:Pt=1.5:1)の磁化温度依存性を示している。バツ印のプロットは、Coの組成比が“2”及びPtの組成比が“1”のCoPt層(Co:Pt=2:1)の磁化温度依存性を示している。図9において、実装温度は、260℃と想定する。   FIG. 9 shows the magnetization temperature dependence of three CoPt layers (artificial lattices or alloys) having different composition ratios. In FIG. 9, the white circle plots show the magnetization temperature dependence in the CoPt layer (Co: Pt = 1: 2) in which the Co composition ratio is “1” and the Pt composition ratio is “2”. The square plot shows the magnetization temperature dependence of a CoPt layer (Co: Pt = 1.5: 1) having a Co composition ratio of “1, 5” and a Pt composition ratio of “1”. The crossed-out plot shows the magnetization temperature dependence of the CoPt layer (Co: Pt = 2: 1) having a Co composition ratio of “2” and a Pt composition ratio of “1”. In FIG. 9, the mounting temperature is assumed to be 260 ° C.

図9に示されるように、CoPt層におけるCoの組成比(濃度)がPtの組成比(濃度)より大きくなると、磁化の温度依存性が小さくなる。そして、CoPt層におけるCoの組成比(濃度)がPtの組成比(濃度)より大きくなると、実装温度T(=260℃)における磁性層の飽和磁化Msが大きくなる。 As shown in FIG. 9, when the Co composition ratio (concentration) in the CoPt layer is larger than the Pt composition ratio (concentration), the temperature dependence of magnetization decreases. When the Co composition ratio (concentration) in the CoPt layer becomes larger than the Pt composition ratio (concentration), the saturation magnetization Ms of the magnetic layer at the mounting temperature T j (= 260 ° C.) increases.

このようなCoとPtとを含むCoPt層の特性を利用して、100℃より高い温度条件下において、参照層12の磁化がシフト調整層13の磁化よりも大きく減衰するように、参照層12及びシフト調整層13のパラメータがそれぞれ設計される。   By utilizing the characteristics of the CoPt layer containing Co and Pt, the reference layer 12 is so attenuated that the magnetization of the reference layer 12 is larger than the magnetization of the shift adjustment layer 13 under a temperature condition higher than 100 ° C. The parameters of the shift adjustment layer 13 are designed.

すなわち、本実施形態のMTJ素子1Aにおいて、実装温度T(例えば、160℃〜320℃)下において、磁化の温度依存性が小さいシフト調整層13と、シフト調整層13の磁化温度依存性に比較して磁化の温度依存性が大きい参照層12とを用いて、MTJ素子が形成される。 That is, in the MTJ element 1A of the present embodiment, the shift adjustment layer 13 having a small magnetization temperature dependency and the magnetization temperature dependency of the shift adjustment layer 13 at a mounting temperature T j (for example, 160 ° C. to 320 ° C.). In comparison, the MTJ element is formed using the reference layer 12 having a higher magnetization temperature dependency.

このように、磁性層中の2種類以上の元素(ここでは、CoとPt)の組成比が調整されることによって、図7及び図8に示されるように、メモリ動作温度下において漏れ磁場がキャンセル状態にされ、且つ、実装温度T下において残留した(キャンセルされなかった)漏れ磁場が、記憶層10に印加される。実装温度条件下において、シフト調整層13の漏れ磁場が参照層12の漏れ磁場よりも大きい場合、記憶層10に印加される漏れ磁場(シフト磁界)の向きは、参照層12の磁化の向きと逆向きである。 Thus, by adjusting the composition ratio of two or more elements (here, Co and Pt) in the magnetic layer, as shown in FIGS. 7 and 8, the leakage magnetic field is reduced under the memory operating temperature. The leakage magnetic field that has been canceled and remains (not canceled) under the mounting temperature T j is applied to the storage layer 10. When the leakage magnetic field of the shift adjustment layer 13 is larger than the leakage magnetic field of the reference layer 12 under the mounting temperature condition, the direction of the leakage magnetic field (shift magnetic field) applied to the storage layer 10 is the magnetization direction of the reference layer 12. The reverse direction.

以上のような、参照層12及びシフト調整層13の磁気特性に基づいて、実装温度における磁性層の漏れ磁場の大きさを、考える。   Based on the magnetic characteristics of the reference layer 12 and the shift adjustment layer 13 as described above, the magnitude of the leakage magnetic field of the magnetic layer at the mounting temperature is considered.

例えば、MTJ素子の直径は、30nmに設定される。記憶層の膜厚は、2nmに設定される。トンネルバリア層11の膜厚は、1nmに設定される。85℃における記憶層の熱安定性指標ΔE/(kT)は100に設定され、85℃における異方性磁界H effの大きさが、6996Oeに設定される。 For example, the diameter of the MTJ element is set to 30 nm. The film thickness of the storage layer is set to 2 nm. The film thickness of the tunnel barrier layer 11 is set to 1 nm. The thermal stability index ΔE / (k B T) of the memory layer at 85 ° C. is set to 100, and the magnitude of the anisotropic magnetic field H k eff at 85 ° C. is set to 6996 Oe.

そして、260℃において、記憶層の熱安定性指標ΔE/(kT)が45程度になり、有効異方性磁界H effが4686Oeまで減衰する場合、MTJ素子が“1”データ保持状態を安定に維持するためのシフト磁界(漏れ磁場)Hextは、(式1)に基づくと、−447Oe程度である。 At 260 ° C., when the thermal stability index ΔE / (k B T) of the storage layer becomes about 45 and the effective anisotropic magnetic field H k eff attenuates to 4686 Oe, the MTJ element is in the “1” data holding state. Based on (Equation 1), the shift magnetic field (leakage magnetic field) H ext for stably maintaining is about −447 Oe.

この場合において、参照層としてのCoPt層の組成比は、Co:Pt=1:2に設定され、その膜厚は7nm程度に設定される。この組成比の参照層の飽和磁化Msは、85℃において、600emu/ccである。
また、シフト調整層としてのCoPt層の組成比は、Co:Pt=2:1に設定され、その膜厚は、18nm程度に設定される。この組成比のシフト調整層の飽和磁化は、85℃において、950emu/cc程度である。
In this case, the composition ratio of the CoPt layer as the reference layer is set to Co: Pt = 1: 2, and the film thickness is set to about 7 nm. The saturation magnetization Ms of the reference layer having this composition ratio is 600 emu / cc at 85 ° C.
The composition ratio of the CoPt layer as the shift adjustment layer is set to Co: Pt = 2: 1, and the film thickness is set to about 18 nm. The saturation magnetization of the shift adjustment layer having this composition ratio is about 950 emu / cc at 85 ° C.

このような組成比の人工格子からなる参照層及びシフト調整層が用いられた場合、85℃において記憶層10に印加される漏れ磁場Hextの大きさは、16Oe程度である。したがって、参照層12の漏れ磁場とシフト調整層13の漏れ磁場は相殺され、記憶層10に印加されるシフト磁界は実質的にキャンセルされる。 When a reference layer and a shift adjustment layer made of an artificial lattice having such a composition ratio are used, the magnitude of the leakage magnetic field H ext applied to the storage layer 10 at 85 ° C. is about 16 Oe. Therefore, the leakage magnetic field of the reference layer 12 and the leakage magnetic field of the shift adjustment layer 13 are canceled out, and the shift magnetic field applied to the storage layer 10 is substantially canceled.

一方、図9に示されるように、異なる組成比のCoPt層を用いて、参照層12とシフト調整層13との間に異なる磁気温度依存性を生じさせることによって、260℃の温度条件下において、組成比がCo:Pt=1:2のCoPt層(ここでは、参照層)の飽和磁化は、85℃の温度条件下のおおよそ0.47倍になり、組成比がCo:Pt=2:1のCoPt層(ここでは、シフト調整層)の飽和磁化は、85℃の温度条件下のおおよそ0.85倍になっている。それゆえ、260℃における参照層12の飽和磁化は、282emu/cc程度になり、260℃におけるシフト調整層13の飽和磁化は、808emu/cc程度になる。このように、温度の上昇に伴って、参照層12の磁化は、シフト調整層13の磁化に比較して、大きく減衰する。   On the other hand, as shown in FIG. 9, by using different CoPt layers with different composition ratios, different magnetic temperature dependences are generated between the reference layer 12 and the shift adjustment layer 13, under a temperature condition of 260 ° C. The saturation magnetization of the CoPt layer (here, the reference layer) having a composition ratio of Co: Pt = 1: 2 is approximately 0.47 times under the temperature condition of 85 ° C., and the composition ratio is Co: Pt = 2: The saturation magnetization of one CoPt layer (here, the shift adjustment layer) is approximately 0.85 times as high as 85 ° C. Therefore, the saturation magnetization of the reference layer 12 at 260 ° C. is about 282 emu / cc, and the saturation magnetization of the shift adjustment layer 13 at 260 ° C. is about 808 emu / cc. Thus, as the temperature rises, the magnetization of the reference layer 12 is greatly attenuated as compared to the magnetization of the shift adjustment layer 13.

この場合、260℃において、記憶層10に印加される漏れ磁場は、−550Oeとなる。上記のパラメータに基づいたMTJ素子の記憶層10に印加される漏れ磁場(シフト磁界)の大きさは、(式1)を満たす。   In this case, at 260 ° C., the leakage magnetic field applied to the storage layer 10 is −550 Oe. The magnitude of the leakage magnetic field (shift magnetic field) applied to the storage layer 10 of the MTJ element based on the above parameters satisfies (Equation 1).

例えば、実装温度条件下において“1”データ保持状態を維持できるMTJ素子において、シフト調整層13としてCoPt層内のCoの組成比はPtの組成比より大きく、参照層12としてのCoPt層内のCoの組成比はPtの組成比より小さい。例えば、シフト調整層13としてのCoPt層が含むCoの組成比は、参照層12としてのCoPt層が含むCoの組成比より大きい。シフト調整層13としてのCoPt層が含むPtの組成比は、参照層12としてのCoPt層が含むPtの組成比より小さい。   For example, in an MTJ element that can maintain a “1” data retention state under mounting temperature conditions, the Co composition ratio in the CoPt layer as the shift adjustment layer 13 is larger than the Pt composition ratio, and the CoPt layer as the reference layer 12 The composition ratio of Co is smaller than the composition ratio of Pt. For example, the Co composition ratio of the CoPt layer as the shift adjustment layer 13 is larger than the Co composition ratio of the CoPt layer as the reference layer 12. The composition ratio of Pt included in the CoPt layer as the shift adjustment layer 13 is smaller than the composition ratio of Pt included in the CoPt layer as the reference layer 12.

したがって、実装温度条件下において、“1”データ保持状態の参照電位生成セル(参照セル及びレプリカセル)は、記憶層10に印加される漏れ磁場(シフト磁界)によって、記憶層10の磁化の向きが参照層12の磁化の向きと反平行に維持される。また、外部からのデータが書き込まれるメモリセルは、参照電位生成セルと同じパラメータで設計されたMTJ素子を含む。上記のように、メモリ動作温度下において、参照層及びシフト調整層の漏れ磁場がキャンセルされるため、記憶層の磁化を反転でき、メモリセルに所定のデータを書き込むことができる。   Therefore, the reference potential generating cell (reference cell and replica cell) in the “1” data holding state under the mounting temperature condition has a magnetization direction of the storage layer 10 due to a leakage magnetic field (shift magnetic field) applied to the storage layer 10. Is maintained antiparallel to the magnetization direction of the reference layer 12. The memory cell to which data from the outside is written includes an MTJ element designed with the same parameters as the reference potential generation cell. As described above, since the leakage magnetic fields of the reference layer and the shift adjustment layer are canceled under the memory operating temperature, the magnetization of the storage layer can be reversed and predetermined data can be written into the memory cell.

実装温度条件において、参照層12の漏れ磁場がシフト調整層13の漏れ磁場よりも大きくなるように、磁性層(例えば、CoPt層)のパラメータを調整し、参照層12の磁化温度依存性とシフト調整層13の磁化温度依存性とを異ならせることによって、“0”データ保持状態を安定に維持できるMTJ素子及びそのMTJ素子を含む参照電位生成セルを、形成できる。すなわち、実装温度条件下において、不足キャンセル状態が生じるように、MTJ素子の参照層12及びシフト調整層13のパラメータが設計される。
実装温度において“0”データ保持状態を維持するMTJ素子は、Coの組成比がPtの組成比より大きいCoPt層が参照層として用いられ、Coの組成比がPtの組成比より小さいCoPt層がシフト調整層として用いられる。これによって、実装温度において、残留した参照層12の漏れ磁場が、記憶層10に作用し、記憶層の磁化が、参照層の磁化の向きと同じ方向に固定される。
The parameter of the magnetic layer (for example, CoPt layer) is adjusted so that the leakage magnetic field of the reference layer 12 is larger than the leakage magnetic field of the shift adjustment layer 13 under the mounting temperature condition, and the magnetization temperature dependence and shift of the reference layer 12 are adjusted. By making the magnetization temperature dependence of the adjustment layer 13 different, an MTJ element that can stably maintain the “0” data holding state and a reference potential generation cell including the MTJ element can be formed. That is, the parameters of the reference layer 12 and the shift adjustment layer 13 of the MTJ element are designed so that an insufficient cancel state occurs under the mounting temperature condition.
In the MTJ element that maintains the “0” data retention state at the mounting temperature, a CoPt layer having a Co composition ratio larger than the Pt composition ratio is used as a reference layer, and a CoPt layer having a Co composition ratio smaller than the Pt composition ratio is used. Used as a shift adjustment layer. As a result, the leakage magnetic field of the remaining reference layer 12 acts on the storage layer 10 at the mounting temperature, and the magnetization of the storage layer is fixed in the same direction as the magnetization direction of the reference layer.

実装温度条件において、参照層12又はシフト調整層13の漏れ磁場によって、所定のデータ保持状態を維持すべき記憶層10の磁化が反転しないように、各磁性層11,12,13のパラメータを設計することができる。   The parameters of the magnetic layers 11, 12, and 13 are designed so that the magnetization of the storage layer 10 that should maintain a predetermined data retention state is not reversed by the leakage magnetic field of the reference layer 12 or the shift adjustment layer 13 under the mounting temperature condition. can do.

以上のように、本実施形態の磁気抵抗効果素子(MTJ素子)1Aは、参照層12とシフト調整層13とが互いに異なる磁化温度依存性を有し、温度が高くなると一方の磁性層の磁化が他方の磁性層の磁化よりも大きく減衰する。これによって、実装温度において、磁気抵抗効果素子1A内に漏れ磁場(シフト磁界)の過剰キャンセル状態(又は不足キャンセル状態)が発現し、所定のデータ保持状態(磁化配列状態)を維持できる漏れ磁場(シフト磁界)を、記憶層10に印加できる。   As described above, in the magnetoresistive effect element (MTJ element) 1A of the present embodiment, the reference layer 12 and the shift adjustment layer 13 have different magnetization temperature dependencies, and the magnetization of one magnetic layer increases as the temperature increases. Is attenuated more than the magnetization of the other magnetic layer. As a result, at the mounting temperature, an excess canceling state (or insufficient canceling state) of the leakage magnetic field (shifted magnetic field) appears in the magnetoresistive effect element 1A, and a leakage magnetic field (a magnetization arrangement state) that can maintain a predetermined data holding state (magnetization array state). Shift magnetic field) can be applied to the storage layer 10.

このように、本実施形形態の磁気抵抗効果素子は、実装温度条件において、シフト調整層(又は参照層)からの漏れ磁場によって記憶層の磁化が固定され、熱の印加に起因する記憶層の磁化の反転が低減される。   As described above, in the magnetoresistive effect element according to the present embodiment, the magnetization of the storage layer is fixed by the leakage magnetic field from the shift adjustment layer (or the reference layer) under the mounting temperature condition, and the storage layer is caused by the application of heat. Magnetization reversal is reduced.

例えば、磁気メモリを含むチップ(パッケージ装置)の出荷後において、そのチップが実装メーカーやユーザーによって実装された場合、チップの実装時の加熱温度に起因した熱擾乱よって、参照セルやレプリカセルのMTJ素子に磁化反転が生じる可能性がある。   For example, after a chip (package device) including a magnetic memory is shipped, if the chip is mounted by a mounting manufacturer or user, the MTJ of the reference cell or replica cell may be caused by thermal disturbance caused by the heating temperature at the time of mounting the chip. There is a possibility that magnetization reversal occurs in the element.

この実装段階における熱擾乱に起因したチップ不良を防止するために、参照セル及びレプリカセルに対する書き込み回路又は抵抗状態の判定回路が、チップ内に組み込まれる場合がある。この場合、チップコストが増大してしまう。また、実装工程時の加熱に起因して、MTJ素子の磁化反転(データの遷移)が生じた場合、実装メーカー又はユーザーが、参照セル及びレプリカセルに対してデータを書き直さなければならない。   In order to prevent chip failure due to thermal disturbance in the mounting stage, a writing circuit or a resistance state determination circuit for the reference cell and the replica cell may be incorporated in the chip. In this case, the chip cost increases. Further, when the magnetization reversal (data transition) of the MTJ element occurs due to heating during the mounting process, the mounting manufacturer or user must rewrite the data in the reference cell and the replica cell.

このような実装工程の問題に起因して、磁気メモリを含むチップの商品競争力が低下してしまうことが、懸念される。   There is a concern that the product competitiveness of the chip including the magnetic memory is reduced due to such a problem in the mounting process.

本実施形態の磁気抵抗効果素子のように、実装温度条件下において、所定のデータ保持状態を安定に維持できることによって、実装メーカー及びユーザーが、実装工程後に、参照電位生成セル(参照セル及びレプリカセル)のデータ保持状態をチェックする工程や、参照電位生成セルにデータを書き込む工程を軽減できる。   Like the magnetoresistive effect element of this embodiment, a predetermined data retention state can be stably maintained under mounting temperature conditions, so that a mounting manufacturer and a user can perform reference potential generation cells (reference cells and replica cells) after the mounting process. ) For checking the data holding state and for writing data to the reference potential generation cell.

また、本実施形態の磁気抵抗効果素子は、実装温度下における参照電位生成セルのMTJ素子の磁化反転に起因したデータの読み出し不良を、低減できる。   In addition, the magnetoresistive effect element according to the present embodiment can reduce the data read failure due to the magnetization reversal of the MTJ element of the reference potential generating cell at the mounting temperature.

本実施形態の磁気抵抗効果素子は、参照電位生成セルの熱擾乱に対する耐性を、メモリセルの熱擾乱に対する耐性よりも大きくするために、参照電位生成セルとメモリセルとを作り分ける必要がない。また、実装工程後に、参照電位生成セルのデータ保持状態(抵抗状態)をチェックする回路や参照電位生成セルにデータを書き込む回路を、チップ内に設けなくともよい。それゆえ、本実施形態の磁気抵抗効果素子は、磁気メモリの製造コストの増大を防止できる。   In the magnetoresistive effect element of this embodiment, it is not necessary to make a reference potential generation cell and a memory cell separately in order to make the resistance of the reference potential generation cell more resistant to thermal disturbance than that of the memory cell. In addition, a circuit for checking the data holding state (resistance state) of the reference potential generation cell and a circuit for writing data to the reference potential generation cell may not be provided in the chip after the mounting process. Therefore, the magnetoresistive effect element of this embodiment can prevent an increase in manufacturing cost of the magnetic memory.

以上のように、本実施形態の磁気抵抗効果素子及び磁気メモリによれば、熱に起因するメモリの動作不良を抑制できる。   As described above, according to the magnetoresistive effect element and the magnetic memory of the present embodiment, it is possible to suppress the memory malfunction caused by heat.

(d) 製造方法
以下、本実施形態の磁気抵抗効果素子(例えば、MTJ素子)1A及び本実施形態の磁気抵抗効果素子を含む磁気メモリ(例えば、MRAM)の製造方法について説明する。ここでは、図1乃至図5を適宜用いて、MTJ素子及び磁気メモリの製造方法について、説明する。
(D) Manufacturing method
Hereinafter, a method for manufacturing a magnetoresistive element (for example, MRAM) including the magnetoresistive element (for example, MTJ element) 1A of the present embodiment and the magnetoresistive element of the present embodiment will be described. Here, the manufacturing method of the MTJ element and the magnetic memory will be described using FIGS. 1 to 5 as appropriate.

例えば、半導体基板70内に、例えば、STI(Shallow Trench Isolation)構造の素子分離絶縁膜71が埋め込まれ、素子分離領域が形成される。この素子分離領域の形成によって、アクティブ領域AAが、半導体基板70内に区画される。   For example, an element isolation insulating film 71 having an STI (Shallow Trench Isolation) structure is embedded in the semiconductor substrate 70 to form an element isolation region. By forming this element isolation region, the active area AA is partitioned in the semiconductor substrate 70.

半導体基板70のアクティブ領域AA上に、例えば、CVD(Chemical Vapor Deposition)法、フォトリソグラフィ及びRIE(Reactive Ion Etching)法などによって、メモリセルMC、参照セル及びレプリカセルRC内の選択トランジスタ2が形成される。また、半導体基板70上に、ロウ/カラム制御回路、書き込み回路、読み出し回路及び周辺回路の各素子が、形成される。   The selection transistor 2 in the memory cell MC, the reference cell, and the replica cell RC is formed on the active area AA of the semiconductor substrate 70 by, for example, CVD (Chemical Vapor Deposition) method, photolithography, RIE (Reactive Ion Etching) method, or the like. Is done. Further, elements of a row / column control circuit, a write circuit, a read circuit, and a peripheral circuit are formed on the semiconductor substrate 70.

多層配線技術によって、層間絶縁膜79Aが、半導体基板70上に堆積され、層間絶縁膜内に、コンタクトプラグ72Aが形成される。配線(例えば、下層のビット線)又は中間層としての金属膜が、層間絶縁膜79A及びコンタクトプラグ72上に形成される。   An interlayer insulating film 79A is deposited on the semiconductor substrate 70 by a multilayer wiring technique, and a contact plug 72A is formed in the interlayer insulating film. A metal film as a wiring (for example, a lower bit line) or an intermediate layer is formed on the interlayer insulating film 79A and the contact plug 72.

そして、図4に示されるように、所定の配線レベル内において、本実施形態の磁気抵抗効果素子(MTJ素子)が、形成される。例えば、MTJ素子が、トップピン型の素子である場合、電極材51上に、記憶層(磁性層)10、トンネルバリア層(非磁性層)11、参照層(磁性層)12、シフト調整層(磁性層)13及びハードマスク(上部電極)52が、順次堆積される。所定の形状(例えば、円形状)にパターニングされたハードマスク52をマスクに用いて、磁性層を含む積層体が加工され、本実施形態のMTJ素子1Aが形成される。   Then, as shown in FIG. 4, the magnetoresistive effect element (MTJ element) of the present embodiment is formed within a predetermined wiring level. For example, when the MTJ element is a top pin type element, a storage layer (magnetic layer) 10, a tunnel barrier layer (nonmagnetic layer) 11, a reference layer (magnetic layer) 12, and a shift adjustment layer are formed on the electrode material 51. A (magnetic layer) 13 and a hard mask (upper electrode) 52 are sequentially deposited. Using the hard mask 52 patterned into a predetermined shape (for example, a circular shape) as a mask, the stacked body including the magnetic layer is processed, and the MTJ element 1A of this embodiment is formed.

記憶層10の材料は、上述の(式1)を満たすように、磁気特性、膜厚、材料の組成などが適宜設計される。参照層12及びシフト調整層13の材料には、例えば、CoPt層(CoPt人工格子又はCoPt合金)が用いられる。の参照層12の磁化温度依存性が、シフト調整層13の磁化温度依存性と異なるように、参照層12及びシフト調整層13とで、磁性層12,13内のCo及びPtの組成比が、調整される。また、参照層12及びシフト調整層13の磁気特性が、上述の(式1)を満たすように、各層の膜厚及び磁気特性が設計される。   The material of the memory layer 10 is appropriately designed in terms of magnetic properties, film thickness, material composition, and the like so as to satisfy the above (Formula 1). For example, a CoPt layer (CoPt artificial lattice or CoPt alloy) is used as the material of the reference layer 12 and the shift adjustment layer 13. The reference layer 12 and the shift adjustment layer 13 have different Co and Pt composition ratios in the magnetic layers 12 and 13 so that the magnetization temperature dependency of the reference layer 12 differs from the magnetization temperature dependency of the shift adjustment layer 13. Adjusted. Further, the film thickness and the magnetic characteristics of each layer are designed so that the magnetic characteristics of the reference layer 12 and the shift adjustment layer 13 satisfy the above-described (Equation 1).

例えば、チップの実装工程の実装温度下において、シフト調整層13の漏れ磁場が、参照層12の漏れ磁場よりも、記憶層10の磁化に作用するように、参照層12及びシフト調整層13の磁化温度特性が設計される場合、シフト調整層13としてのCoPt層におけるCoの組成がPtの組成比より高くされ、参照層12としてのCoPt層におけるCoの組成比がPtの組成比より低くされる。例えば、シフト調整層13のCoの組成比は、参照層12のCoの組成比より高くされ、シフト調整層13のPtの組成比は、参照層12のPtの組成比より低くされる。これによって、実装温度の条件下において、参照層12及びシフト調整層13の漏れ磁場は、過剰キャンセル状態になり、実装工程中において実装温度(例えば、半田リフロー温度)が本実施形態のMTJ素子1Aに印加された場合、シフト調整層13の漏れ磁場によって、記憶層10の磁化の向きが固定される。   For example, under the mounting temperature of the chip mounting process, the reference layer 12 and the shift adjustment layer 13 have a leakage magnetic field that affects the magnetization of the storage layer 10 rather than the leakage magnetic field of the reference layer 12. When the magnetization temperature characteristic is designed, the Co composition in the CoPt layer as the shift adjustment layer 13 is made higher than the Pt composition ratio, and the Co composition ratio in the CoPt layer as the reference layer 12 is made lower than the Pt composition ratio. . For example, the Co composition ratio of the shift adjustment layer 13 is higher than the Co composition ratio of the reference layer 12, and the Pt composition ratio of the shift adjustment layer 13 is lower than the Pt composition ratio of the reference layer 12. As a result, the leakage magnetic fields of the reference layer 12 and the shift adjustment layer 13 are in an excessively canceled state under the mounting temperature condition, and the mounting temperature (for example, the solder reflow temperature) becomes the MTJ element 1A of the present embodiment during the mounting process. When applied to, the magnetization direction of the storage layer 10 is fixed by the leakage magnetic field of the shift adjustment layer 13.

例えば、チップの実装工程の実装温度(160℃から320℃)下において、参照層12の漏れ磁場が、シフト調整層13の漏れ磁場よりも記憶層10の磁化に作用するように、参照層12及びシフト調整層13の磁化温度特性が設計される場合、シフト調整層13としてのCoPt層におけるPtの組成がCoの組成比より高くされ、参照層12としてのCoPt層におけるPtの組成比がCoの組成比より低くされる。例えばmシフト調整層13のPtの組成比は、参照層12のPtの組成比より高くされ、シフト調整層13のCoの組成比は、参照層12のCoの組成比より低くされる。これによって、実装温度の条件下において、参照層12及びシフト調整層13の漏れ磁場は、不足キャンセル状態になり、実装工程において実装温度が本実施形態のMTJ素子1Aに印加された場合に、参照層12の漏れ磁場によって、記憶層10の磁化の向きが、固定される。   For example, under the mounting temperature (160 ° C. to 320 ° C.) in the chip mounting process, the reference layer 12 is such that the leakage magnetic field of the reference layer 12 affects the magnetization of the storage layer 10 rather than the leakage magnetic field of the shift adjustment layer 13. When the magnetization temperature characteristics of the shift adjustment layer 13 are designed, the Pt composition in the CoPt layer as the shift adjustment layer 13 is made higher than the Co composition ratio, and the Pt composition ratio in the CoPt layer as the reference layer 12 is Co. The composition ratio is lower. For example, the Pt composition ratio of the m shift adjustment layer 13 is made higher than the Pt composition ratio of the reference layer 12, and the Co composition ratio of the shift adjustment layer 13 is made lower than the Co composition ratio of the reference layer 12. As a result, the leakage magnetic fields of the reference layer 12 and the shift adjustment layer 13 are in an insufficiently canceled state under the mounting temperature condition, and the reference is made when the mounting temperature is applied to the MTJ element 1A of the present embodiment in the mounting process. The direction of magnetization of the storage layer 10 is fixed by the leakage magnetic field of the layer 12.

MTJ素子1Aが形成された後、多層配線技術によって、層間絶縁膜及び配線(例えば、上層のビット線)が、形成される。これによって、本実施形態のMTJ素子1Aを含む磁気メモリのチップが形成される。   After the MTJ element 1A is formed, an interlayer insulating film and wiring (for example, an upper bit line) are formed by a multilayer wiring technique. Thus, a magnetic memory chip including the MTJ element 1A of the present embodiment is formed.

図1に示されるように、磁気メモリのチップ100は、外部端子としての半田ボール(または半田バンプ)に電気的に接続されるように、パッケージ装置(絶縁樹脂)200内に封止される。パッケージ装置内に封止される前又は封止された後において、参照セル及びレプリカセルとしての参照電位生成セル内のMTJ素子1Aのデータ保持状態(磁化配列状態、抵抗状態)は、磁気メモリの読み出し方式に応じて、“1”データ保持状態又は“0”データ保持状態に、適宜設定される。   As shown in FIG. 1, a chip 100 of a magnetic memory is sealed in a package device (insulating resin) 200 so as to be electrically connected to solder balls (or solder bumps) as external terminals. Before or after sealing in the package device, the data holding state (magnetization arrangement state, resistance state) of the MTJ element 1A in the reference potential generation cell as the reference cell and the replica cell is the same as that of the magnetic memory. Depending on the reading method, it is appropriately set to the “1” data holding state or the “0” data holding state.

この後、本実施形態のMTJ素子1Aを含む磁気メモリは、実装メーカー又はユーザーに対して出荷される。   Thereafter, the magnetic memory including the MTJ element 1A of the present embodiment is shipped to a mounting manufacturer or a user.

図1に示されるように、本実施形態のMTJ素子1Aを含む磁気メモリのパッケージ装置200は、実装メーカー又はユーザーによって、実装基板300上に搭載される。この実装工程において、例えば、半田の溶融温度に対応した熱が、実装温度として、パッケージ装置200の表面や半田接合部に与えられる。例えば、実装時において、パッケージ装置は、160℃から320℃程度の温度条件下にさらされる。   As shown in FIG. 1, a magnetic memory package device 200 including the MTJ element 1A of this embodiment is mounted on a mounting substrate 300 by a mounting manufacturer or a user. In this mounting process, for example, heat corresponding to the melting temperature of the solder is given to the surface of the package device 200 and the solder joint as the mounting temperature. For example, at the time of mounting, the package device is exposed to a temperature condition of about 160 ° C. to 320 ° C.

上述のように、本実施形態のMTJ素子1Aは、参照層12及びシフト調整層13が、互いに異なる磁化温度依存性を有するように、形成される。本実施形態のMTJ素子1Aは、上述の(式1)を満たすように、MTJ素子1Aの記憶層10の磁気特性が設計される。   As described above, the MTJ element 1A of the present embodiment is formed so that the reference layer 12 and the shift adjustment layer 13 have different magnetization temperature dependencies. In the MTJ element 1A of the present embodiment, the magnetic characteristics of the storage layer 10 of the MTJ element 1A are designed so as to satisfy the above-described (Equation 1).

実装工程の実装温度下において、参照層12の漏れ磁場及びシフト調整層13の漏れ磁場は、キャンセルされず、シフト調整層13の漏れ磁場又は参照層12の漏れ磁場と同じ向きの磁場(シフト磁界)が、記憶層10の磁化に印加される。その漏れ磁場の大きさは、実装温度下において、参照電位生成セル20内のMTJ素子1Aが、熱の影響を受けても、“1”又は“0”の保持すべきデータ保持状態(磁化配列)を維持できるように、記憶層10の磁化を固定できる大きさに、設定されている。   Under the mounting temperature in the mounting process, the leakage magnetic field of the reference layer 12 and the leakage magnetic field of the shift adjustment layer 13 are not canceled, and the magnetic field in the same direction as the leakage magnetic field of the shift adjustment layer 13 or the leakage magnetic field of the reference layer 12 (shift magnetic field). ) Is applied to the magnetization of the storage layer 10. The magnitude of the leakage magnetic field is such that the MTJ element 1A in the reference potential generating cell 20 has a data holding state (magnetization array) that should be held at “1” or “0” even if it is affected by heat at the mounting temperature. ) Can be maintained so that the magnetization of the storage layer 10 can be fixed.

これによって、上述の製造方法で形成された本実施形態のMTJ素子1Aを含む磁気メモリは、メモリ動作時に“1”データ又は“0”データを保持することが規定された参照電位生成セルRCにおいて、実装温度(160℃〜320℃)がチップ(パッケージ装置)に与えられても“1”又は“0”データ保持状態が安定に維持される。それゆえ、実装工程後に、実装メーカーやユーザーは、参照電位生成セルRCのデータ保持状態をチェックする工程や、参照電位生成セルにデータを書き込む工程を、実行せずともよい。また、磁気メモリのチップ内に、参照電位生成セルのデータ保持状態をチェックするための回路や、参照電位生成セル20にデータを書き込むための回路を、形成せずともよい。   Thus, the magnetic memory including the MTJ element 1A of the present embodiment formed by the above-described manufacturing method is used in the reference potential generation cell RC that is defined to hold “1” data or “0” data during the memory operation. Even when the mounting temperature (160 ° C. to 320 ° C.) is given to the chip (package device), the “1” or “0” data holding state is stably maintained. Therefore, after the mounting process, the mounting manufacturer or the user does not need to execute the process of checking the data holding state of the reference potential generation cell RC and the process of writing data to the reference potential generation cell. Further, a circuit for checking the data holding state of the reference potential generation cell and a circuit for writing data to the reference potential generation cell 20 may not be formed in the chip of the magnetic memory.

さらに、本実施形態のMTJ素子1A及びそれを含む磁気メモリは、実装工程後にメモリを使用する際のメモリ動作温度下において、参照層12の磁化の大きさとシフト調整層13の磁化の大きさは、実質的に同じで、且つ、磁化の向きが互いに反対に設定されているため、参照層12の漏れ磁場及びシフト調整層13の漏れ磁場は、キャンセルされる。それゆえ、上述の製造方法によって形成された本実施形態のMTJ素子1Aを含む磁気メモリは、メモリ動作温度下において、記憶層10がシフト磁界の影響をほとんど受けることなしに、所定のデータをメモリセルに書き込める。   Furthermore, in the MTJ element 1A of this embodiment and the magnetic memory including the MTJ element 1A, the magnitude of the magnetization of the reference layer 12 and the magnitude of the magnetization of the shift adjustment layer 13 are under the memory operating temperature when the memory is used after the mounting process. Since the magnetization directions are substantially the same and opposite to each other, the leakage magnetic field of the reference layer 12 and the leakage magnetic field of the shift adjustment layer 13 are canceled. Therefore, the magnetic memory including the MTJ element 1A of the present embodiment formed by the above-described manufacturing method stores predetermined data in the memory layer 10 with almost no influence of the shift magnetic field at the memory operating temperature. You can write to a cell.

以上のように、本実施形態の磁気抵抗効果素子及び磁気メモリの製造方法によれば、製造工程中の熱に起因する動作不良を抑制するメモリを、提供できる。また、本実施形態の磁気抵抗効果素子及び磁気メモリの製造を効率化でき、磁気メモリの製造コストが増大するのを抑制できる。   As described above, according to the magnetoresistive effect element and the method for manufacturing a magnetic memory of the present embodiment, it is possible to provide a memory that suppresses malfunction due to heat during the manufacturing process. Further, the manufacturing of the magnetoresistive effect element and the magnetic memory according to the present embodiment can be made efficient, and an increase in manufacturing cost of the magnetic memory can be suppressed.

(e) まとめ
図1乃至図9を用いて説明したように、本実施形態の磁気抵抗効果素子(MTJ素子)は、参照層の磁化の温度依存性とシフト調整層の磁化の温度依存性は、互いに異なっている。
(E) Summary
As described with reference to FIGS. 1 to 9, in the magnetoresistive effect element (MTJ element) of this embodiment, the temperature dependency of the magnetization of the reference layer and the temperature dependency of the magnetization of the shift adjustment layer are different from each other. Yes.

実装工程において、本実施形態のMTJ素子1Aを含むチップ100が実装基板300に接続される際に用いられるプロセス温度(以下、実装温度とよぶ)T、例えば、半田リフロー工程に用いられる温度(以下、半田リフロー温度とよぶ)の条件下に、本実施形態のMTJ素子1Aを含む磁気メモリがさらされる場合がある。 In the mounting process, a process temperature (hereinafter referred to as a mounting temperature) T j used when the chip 100 including the MTJ element 1A of the present embodiment is connected to the mounting substrate 300, for example, a temperature used in the solder reflow process ( Hereinafter, the magnetic memory including the MTJ element 1A of the present embodiment may be exposed under the condition of the solder reflow temperature.

例えば、磁気メモリの実装工程において、磁気メモリ(パッケージ装置)と基板との半田接合部において230℃の熱が10秒程度、印加され、パッケージ表面において260℃の熱が、50秒程度印加されることが想定される。   For example, in the process of mounting a magnetic memory, heat at 230 ° C. is applied for about 10 seconds at the solder joint between the magnetic memory (package device) and the substrate, and heat at 260 ° C. is applied for about 50 seconds on the package surface. It is assumed that

磁気メモリが実装される前にプログラムが書き込まれるメモリ(例えば、ROM)に用いられるメモリセルや、データの判別のための参照セル及びレプリカセルなどの参照電位生成セルは、実装温度下において、記憶層及び参照層の磁化が熱擾乱によって反転しないことが好ましい。   Memory cells used in a memory (for example, ROM) to which a program is written before the magnetic memory is mounted, and reference potential generation cells such as reference cells and replica cells for data discrimination are stored at a mounting temperature. It is preferable that the magnetization of the layer and the reference layer is not reversed due to thermal disturbance.

磁性層の磁化反転エネルギーバリアの大きさは、熱擾乱による磁化反転に関係する。実装温度下において、磁化反転による不良率が、製品仕様の許容範囲内まで低減されるには、記憶層の磁化反転エネルギーバリアが、一定値以上に設定される。実装温度として半田リフロー工程の温度(例えば、260℃)が仮定され、製品の仕様を満たすように、記憶層の各パラメータが設計された場合、メモリの動作保証温度(例えば、85℃以下)において、その記憶層の磁化反転エネルギーバリアは、非常に大きな値となる。この一方、データ書き込みにスピン注入磁化反転方式が用いられた磁気メモリにおいて、記憶層の磁化反転エネルギーバリアは、磁化反転電流の大きさと相関を有する。スピン注入磁化反転の低消費電力化のために、記憶層の磁化反転エネルギーバリアは小さい値であることが好ましい。一般的な磁気抵抗効果素子を用いた磁気メモリは、動作保証温度における磁化反転電流の低減と実装温度における記憶層の磁化反転の防止とを両立するのは、困難な場合がある。   The magnitude of the magnetization reversal energy barrier of the magnetic layer is related to the magnetization reversal due to thermal disturbance. In order to reduce the defect rate due to magnetization reversal within the allowable range of the product specification at the mounting temperature, the magnetization reversal energy barrier of the storage layer is set to a certain value or more. When the solder reflow process temperature (for example, 260 ° C.) is assumed as the mounting temperature and each parameter of the memory layer is designed to satisfy the product specifications, the memory operation guarantee temperature (for example, 85 ° C. or less) The magnetization reversal energy barrier of the storage layer has a very large value. On the other hand, in the magnetic memory using the spin injection magnetization reversal method for data writing, the magnetization reversal energy barrier of the storage layer has a correlation with the magnitude of the magnetization reversal current. In order to reduce the power consumption of the spin transfer magnetization reversal, the magnetization reversal energy barrier of the storage layer is preferably a small value. In a magnetic memory using a general magnetoresistive effect element, it may be difficult to achieve both reduction of the magnetization reversal current at the guaranteed operating temperature and prevention of magnetization reversal of the storage layer at the mounting temperature.

参照セル及びレプリカセルは、メモリ動作中に外部からのデータを書き込む必要が無い。そのため、メモリ動作時における参照セル及びレプリカセルのMTJ素子の磁化反転電流(反転しきい値)を考慮せずに、参照セル及びレプリカセルのMTJ素子の記憶層のパラメータを設計し、参照セル及びレプリカセルにおける熱擾乱に対する耐性を確保する場合がある。しかし、この場合において、参照セル及びレプリカセルのMTJ素子の記憶層が、メモリセルのMTJ素子の記憶層とは独立に設計されるため、チップの製造コストが増大してしまう。   The reference cell and the replica cell do not need to write external data during the memory operation. Therefore, the parameters of the storage layer of the MTJ element of the reference cell and the replica cell are designed without considering the magnetization reversal current (inversion threshold) of the MTJ element of the reference cell and the replica cell during the memory operation. In some cases, resistance to thermal disturbance in the replica cell is ensured. However, in this case, the memory layer of the MTJ element of the reference cell and the replica cell is designed independently of the memory layer of the MTJ element of the memory cell, so that the manufacturing cost of the chip increases.

本実施形態のMTJ素子1Aは、参照層12とシフト調整層13とが、互いに異なる磁化温度依存性を有する。   In the MTJ element 1A of the present embodiment, the reference layer 12 and the shift adjustment layer 13 have different magnetization temperature dependencies.

本実施形態のMTJ素子1Aにおいて、メモリ動作温度下では、参照層12の漏れ磁場とシフト調整層13の漏れ磁場とは、互いに相殺される。それゆえ、メモリの動作温度条件下において、参照層12又はシフト調整層13に起因する漏れ磁場(シフト磁界)は、記憶層10に印加されない。   In the MTJ element 1A of the present embodiment, the leakage magnetic field of the reference layer 12 and the leakage magnetic field of the shift adjustment layer 13 cancel each other under the memory operating temperature. Therefore, the leakage magnetic field (shift magnetic field) caused by the reference layer 12 or the shift adjustment layer 13 is not applied to the storage layer 10 under the operating temperature condition of the memory.

本実施形態のMTJ素子において、実装温度条件下では、参照層12及びシフト調整層13のうちいずれか一方の磁性層の磁化温度依存性は、他方の磁性層の磁化温度依存性に比較して、大きく減衰する。
その実装温度条件下において、減衰の小さい磁化温度依存性を有する磁性層に起因する漏れ磁場が残留し、残留した漏れ磁場がシフト磁界として、記憶層10に印加される。そして、その漏れ磁場の向きと実装工程前の記憶層10の磁化の向きとが同じMTJ素子1Aにおいて、記憶層10に印加されたシフト磁界によって、記憶層10の磁化の向きは、安定に維持される。
In the MTJ element of this embodiment, under the mounting temperature condition, the magnetization temperature dependence of one of the reference layer 12 and the shift adjustment layer 13 is compared with the magnetization temperature dependence of the other magnetic layer. Attenuates greatly.
Under the mounting temperature condition, the leakage magnetic field caused by the magnetic layer having a small magnetization temperature dependency with small attenuation remains, and the remaining leakage magnetic field is applied to the storage layer 10 as a shift magnetic field. In the MTJ element 1A in which the direction of the leakage magnetic field is the same as the magnetization direction of the storage layer 10 before the mounting process, the magnetization direction of the storage layer 10 is stably maintained by the shift magnetic field applied to the storage layer 10. Is done.

このように、実装温度条件下において、参照層12の漏れ磁場又はシフト調整層13の漏れ磁場が記憶層10の磁化に影響を及ぼすことによって、実装温度に対する記憶層10の熱耐性(熱安定性)が確保され、記憶層10の磁化反転が抑制される。   As described above, under the mounting temperature condition, the leakage magnetic field of the reference layer 12 or the leakage magnetic field of the shift adjustment layer 13 affects the magnetization of the storage layer 10, so that the heat resistance (thermal stability) of the storage layer 10 with respect to the mounting temperature. ) Is ensured, and magnetization reversal of the storage layer 10 is suppressed.

尚、実装温度条件下における漏れ磁場の向きと実装工程前の記憶層の磁化の向きとが互いに反対のMTJ素子1Aにおいて、記憶層の磁化の向きが、その漏れ磁場によって反転することがほとんどないように、磁性層を設計することができる。   In the MTJ element 1A in which the direction of the leakage magnetic field under the mounting temperature condition and the magnetization direction of the storage layer before the mounting process are opposite to each other, the magnetization direction of the storage layer is hardly reversed by the leakage magnetic field. Thus, the magnetic layer can be designed.

以上のように、本実施形態の磁気抵抗効果素子(MTJ素子)及びそれを含む磁気メモリは、実装工程の高温プロセスにおいて、熱の印加に起因した所定のデータの保持すべきMTJ素子の磁化反転を抑制できる。したがって、本実施形態のMTJ素子及びそれを含む磁気メモリの動作不良を、抑制できる。また、本実施形態のMTJ素子及び磁気メモリによれば、参照電位生成セルのデータ保持状態の不良に起因した動作不良及び不良チップの発生を低減できる。   As described above, the magnetoresistive effect element (MTJ element) and the magnetic memory including the magnetoresistive effect element according to the present embodiment have the magnetization reversal of the MTJ element that should retain predetermined data due to the application of heat in the high-temperature process of the mounting process. Can be suppressed. Therefore, malfunction of the MTJ element of this embodiment and the magnetic memory including the same can be suppressed. In addition, according to the MTJ element and the magnetic memory of this embodiment, it is possible to reduce the occurrence of malfunctions and defective chips due to the defective data holding state of the reference potential generation cell.

本実施形態のMTJ素子及びそれを含む磁気メモリは、実装工程における熱に起因したMTJ素子の磁化反転を抑制するために、記憶層の磁化反転エネルギーバリアを大きくせずともよく、その結果として、記憶層に供給する磁化反転電流を大きくしなくともよい。それゆえ、本実施形態のMTJ素子及び磁気メモリによれば、消費電力が低く、且つ、記憶密度の高いメモリを形成できる。   The MTJ element of this embodiment and the magnetic memory including the MTJ element do not have to increase the magnetization reversal energy barrier of the storage layer in order to suppress the magnetization reversal of the MTJ element due to heat in the mounting process. The magnetization reversal current supplied to the storage layer need not be increased. Therefore, according to the MTJ element and the magnetic memory of this embodiment, a memory with low power consumption and high storage density can be formed.

本実施形態のMTJ素子及びそれを含む磁気メモリは、参照電位生成セルに用いられるMTJ素子とメモリセルに用いられるMTJ素子とを、それぞれ異なる製造工程で、作り分けなくともよい。本実施形態のMTJ素子及び磁気メモリは、実装メーカーやユーザーが、参照電位生成セルのデータ保持状態をチェック及び訂正する負担を軽減できる。本実施形態のMTJ素子及び磁気メモリは、参照電位生成セルのデータ保持状態をチップの実装後にチェックする回路及びデータ保持状態を書き換える回路が、チップ上に形成されなくともよい。また、本実施形態のMTJ素子及び磁気メモリは、メモリセルと参照電位生成セルとを、同じ材料を用いて形成できる。それゆえ、本実施形態のMTJ素子及びそれを用いた磁気メモリによれば、磁気メモリの製造の効率化を図れ、プロセスコストの増大を抑制できる。   In the MTJ element and the magnetic memory including the MTJ element according to the present embodiment, the MTJ element used for the reference potential generation cell and the MTJ element used for the memory cell may not be separately formed in different manufacturing processes. The MTJ element and magnetic memory of this embodiment can reduce the burden of mounting manufacturers and users on checking and correcting the data holding state of the reference potential generation cell. In the MTJ element and magnetic memory of this embodiment, the circuit for checking the data holding state of the reference potential generation cell after mounting the chip and the circuit for rewriting the data holding state do not have to be formed on the chip. In the MTJ element and the magnetic memory of this embodiment, the memory cell and the reference potential generation cell can be formed using the same material. Therefore, according to the MTJ element of this embodiment and the magnetic memory using the MTJ element, it is possible to increase the efficiency of manufacturing the magnetic memory and suppress an increase in process cost.

(2) 第2の実施形態
図10乃至図13を参照して、第2の実施形態の磁気抵抗効果素子(例えば、MTJ素子)について、説明する。第2の実施形態において、第1の実施形態と実質的に同じ構成及び機能については、必要に応じて説明する。
(2) Second embodiment
The magnetoresistive effect element (for example, MTJ element) of the second embodiment will be described with reference to FIGS. In the second embodiment, substantially the same configuration and function as those in the first embodiment will be described as necessary.

図10は、第2の実施形態のMTJ素子1Bの断面構造を示している。   FIG. 10 shows a cross-sectional structure of the MTJ element 1B of the second embodiment.

第2の実施形態のMTJ素子1Bにおいて、参照層12は、フェリ磁性膜17を含む。   In the MTJ element 1B of the second embodiment, the reference layer 12 includes a ferrimagnetic film 17.

フェリ磁性膜17は、希土類金属副格子と遷移金属副格子とを含む。例えば、フェリ磁性膜17は、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)及びサマリウム(Sm)などの希土類金属元素を含むグループから選択される少なくとも1つの元素と、コバルト(Co)及び鉄(Fe)などの遷移金属元素を含むグループから選択される少なくとも1つの元素と、を用いて形成される。   The ferrimagnetic film 17 includes a rare earth metal sublattice and a transition metal sublattice. For example, the ferrimagnetic film 17 includes at least one element selected from a group including rare earth metal elements such as terbium (Tb), dysprosium (Dy), and samarium (Sm), cobalt (Co), iron (Fe), and the like. And at least one element selected from the group containing transition metal elements.

本実施形態において、フェリ磁性膜17は、例えば、希土類金属副格子としてのテルビウム(Tb)と遷移金属副格子としてのコバルト(Co)とを用いて、形成されている。以下では、希土類金属副格子のことを、Tb副格子とよび、遷移金属副格子のことを、Co副格子とよぶ。フェリ磁性膜17において、Tb副格子の磁化の向きは、Co副格子の磁化の向きに対して反対になっている。   In this embodiment, the ferrimagnetic film 17 is formed using, for example, terbium (Tb) as a rare earth metal sublattice and cobalt (Co) as a transition metal sublattice. Hereinafter, the rare earth metal sublattice is referred to as a Tb sublattice, and the transition metal sublattice is referred to as a Co sublattice. In the ferrimagnetic film 17, the magnetization direction of the Tb sublattice is opposite to the magnetization direction of the Co sublattice.

本実施形態のMTJ素子1Bにおいて、フェリ磁性膜17とトンネルバリア層11との間に、界面層16が設けられている。界面層16は、例えば、磁性層である。フェリ磁性膜17と界面層16との間に、例えば、Ta、W又はMoなどの中間層(金属層)が設けられてもよい。   In the MTJ element 1 </ b> B of the present embodiment, an interface layer 16 is provided between the ferrimagnetic film 17 and the tunnel barrier layer 11. The interface layer 16 is, for example, a magnetic layer. An intermediate layer (metal layer) such as Ta, W, or Mo may be provided between the ferrimagnetic film 17 and the interface layer 16.

上述のように、記憶層10におけるトンネルバリア層の近傍の領域において、MTJ素子の素子特性(例えば、MR比)の向上のため、界面層が記憶層側にも設けられる場合がある。以下では、説明の明確化のため、フェリ磁性膜17とトンネルバリア層17との間の界面層16を、参照層側界面層16とよぶ。本実施形態において、フェリ磁性膜17と参照層側界面層16とを、1つの参照層12とみなす。
ただし、フェリ磁性膜17と参照層側界面層16とが別々の磁性層とみなす場合もある。この場合、フェリ磁性膜17のことを、特に参照層とよぶ。
As described above, in the region near the tunnel barrier layer in the memory layer 10, the interface layer may be provided also on the memory layer side in order to improve the element characteristics (for example, MR ratio) of the MTJ element. Hereinafter, for clarity of explanation, the interface layer 16 between the ferrimagnetic film 17 and the tunnel barrier layer 17 is referred to as a reference layer side interface layer 16. In the present embodiment, the ferrimagnetic film 17 and the reference layer side interface layer 16 are regarded as one reference layer 12.
However, the ferrimagnetic film 17 and the reference layer side interface layer 16 may be regarded as separate magnetic layers. In this case, the ferrimagnetic film 17 is particularly called a reference layer.

参照層側界面層16は、記憶層10に対するスピン注入源として機能する。   The reference layer side interface layer 16 functions as a spin injection source for the storage layer 10.

参照層側界面層16の磁化は、フェリ磁性膜17のCo副格子の磁化と強く結合する。そのため、参照層側界面層16の磁化の向きは、フェリ磁性膜17中のCo副格子の磁化の向きと同じになり、Tb副格子の磁化の向きと反対となる。参照層側界面層16は、例えば、CoFeB層からなる磁性層である。参照層側界面層16は、Co、Fe及びBを含むグループから選択される少なくとも2つの元素を含む磁性層であればよく、CoB層及びCoFe層などでもよい。   The magnetization of the reference layer side interface layer 16 is strongly coupled to the magnetization of the Co sublattice of the ferrimagnetic film 17. Therefore, the magnetization direction of the reference layer side interface layer 16 is the same as the magnetization direction of the Co sublattice in the ferrimagnetic film 17 and is opposite to the magnetization direction of the Tb sublattice. The reference layer side interface layer 16 is a magnetic layer made of, for example, a CoFeB layer. The reference layer side interface layer 16 may be a magnetic layer containing at least two elements selected from the group containing Co, Fe, and B, and may be a CoB layer, a CoFe layer, or the like.

例えば、参照層側界面層16の磁化の向きが、記憶層10の磁化の向きと同じである場合、MTJ素子1Bの磁化配列は、平行状態(低抵抗状態)であり、MTJ素子1Bが記憶するデータは、“0”データに対応する。参照層側界面層16の磁化の向きが、記憶層10の磁化の向きと反対である場合、MTJ素子1Bの磁化配列は、反平行状態(高抵抗状態)であり、MTJ素子1Bが記憶するデータは、“1”データに対応する。   For example, when the magnetization direction of the reference layer side interface layer 16 is the same as the magnetization direction of the memory layer 10, the magnetization arrangement of the MTJ element 1B is in a parallel state (low resistance state), and the MTJ element 1B stores data. The corresponding data corresponds to “0” data. When the magnetization direction of the reference layer side interface layer 16 is opposite to the magnetization direction of the storage layer 10, the magnetization arrangement of the MTJ element 1B is in an antiparallel state (high resistance state), and the MTJ element 1B stores data. Data corresponds to “1” data.

本実施形態のMTJ素子1Bにおいて、フェリ磁性膜17の各副格子の磁化と参照層側界面層16の磁化とによって、シフト調整層を用いずに、メモリ動作温度における賞味の漏れ磁場が0にされる。これによって、本実施形態のMTJ素子1Bは、メモリ動作温度において、記憶層10に印加される漏れ磁場(シフト磁界)がキャンセルされる。   In the MTJ element 1B of this embodiment, the magnetization of each sublattice of the ferrimagnetic film 17 and the magnetization of the reference layer side interface layer 16 reduce the net leakage magnetic field at the memory operating temperature to 0 without using the shift adjustment layer. Is done. As a result, the MTJ element 1B of the present embodiment cancels the leakage magnetic field (shift magnetic field) applied to the storage layer 10 at the memory operating temperature.

本実施形態のMTJ素子1Bにおいて、フェリ磁性膜17の2つの副格子(ここでは、Tb副格子及びCo副格子)が、互いに異なる磁化温度依存性を有する。これによって、メモリ動作温度においてシフトキャンセル状態が形成され、実装温度Tにおいて、残留した副格子の漏れ磁場が、記憶層10の磁化に印加される。それゆえ、本実施形態のMTJ素子1Bは、実装温度Tに起因した熱に起因して参照電位生成セルのMTJ素子1Bに磁化反転が生じるのを抑制できる。 In the MTJ element 1B of the present embodiment, the two sublattices (here, the Tb sublattice and the Co sublattice) of the ferrimagnetic film 17 have different magnetization temperature dependencies. As a result, a shift cancel state is formed at the memory operating temperature, and the leakage magnetic field of the remaining sublattice is applied to the magnetization of the storage layer 10 at the mounting temperature Tj . Hence, the MTJ element 1B of this embodiment can suppress the MTJ element 1B to the magnetization reversal of the reference potential generating cell due to the heat caused by the mounting temperature T j is generated.

図11及び図12を用いて、本実施形態のMTJ素子1Bの磁気特性について、説明する。   The magnetic characteristics of the MTJ element 1B of this embodiment will be described with reference to FIGS.

図11は、フェリ磁性膜が含む2つの副格子(ここでは、Tb副格子とCo副格子)の磁化温度依存性を示している。図11の横軸は、温度(単位:℃)を示し、図11の縦軸は、飽和磁化Ms(任意単位)を示している。図11において、特性線LM3は、フェリ磁性膜中のTb副格子の磁化温度依存性に対応し、特性線LM4は、フェリ磁性膜中のCo副格子の磁化温度依存性に対応している。   FIG. 11 shows the magnetization temperature dependence of two sublattices (here, a Tb sublattice and a Co sublattice) included in the ferrimagnetic film. The horizontal axis in FIG. 11 represents temperature (unit: ° C.), and the vertical axis in FIG. 11 represents saturation magnetization Ms (arbitrary unit). In FIG. 11, the characteristic line LM3 corresponds to the magnetization temperature dependence of the Tb sublattice in the ferrimagnetic film, and the characteristic line LM4 corresponds to the magnetization temperature dependence of the Co sublattice in the ferrimagnetic film.

図12は、各温度条件下におけるMTJ素子の磁性層に起因する磁場を模式的に示している。図12の(a)は、メモリ動作温度下におけるMTJ素子1Bが含む各磁性層の磁化の状態及び漏れ磁場の状態を模式的に示し、図12の(b)は、MTJ素子1Bが含む各磁性層の磁化の状態及び漏れ磁場の状態を模式的に示している。   FIG. 12 schematically shows the magnetic field caused by the magnetic layer of the MTJ element under each temperature condition. 12A schematically shows the magnetization state and leakage magnetic field state of each magnetic layer included in the MTJ element 1B under the memory operating temperature, and FIG. 12B shows each of the MTJ element 1B included in the MTJ element 1B. The state of magnetization of a magnetic layer and the state of a leakage magnetic field are shown typically.

図11の特性線LM3,LM4及び図12の(a)に示されるように、メモリ動作温度(例えば、100℃)以下では、フェリ磁性膜17中のTb副格子の磁化93とCo副格子の磁化94との合成の磁化は、参照層側界面層16の磁化の大きさと実質的に同じ大きさを有している。例えば、メモリ動作温度において、Tb副格子の磁化の大きさは、Co副格子の磁化の大きさと実質的に同じになっている。   As shown by the characteristic lines LM3 and LM4 in FIG. 11 and (a) in FIG. 12, below the memory operating temperature (for example, 100 ° C.), the magnetization 93 of the Tb sublattice in the ferrimagnetic film 17 and the Co sublattice The combined magnetization with the magnetization 94 has substantially the same magnitude as that of the reference layer side interface layer 16. For example, at the memory operating temperature, the magnitude of the magnetization of the Tb sublattice is substantially the same as the magnitude of the magnetization of the Co sublattice.

それゆえ、100℃以下のメモリ動作温度において、フェリ磁性膜17及び界面層16に起因する漏れ磁場は、互いに相殺され、記憶層10に生じるシフト磁界は、キャンセルされる。したがって、メモリ動作温度下において、本実施形態のMTJ素子1Bは、記憶層10の磁化反転が可能となる。   Therefore, at a memory operating temperature of 100 ° C. or less, the leakage magnetic fields caused by the ferrimagnetic film 17 and the interface layer 16 cancel each other, and the shift magnetic field generated in the storage layer 10 is cancelled. Therefore, under the memory operating temperature, the MTJ element 1B of the present embodiment can reverse the magnetization of the storage layer 10.

したがって、第2の実施形態のMTJ素子1Bを含むメモリセルは、メモリの動作温度(例えば、100℃以下)において、“1”データ保持状態と“0”データ保持状態との両方をとりうる。   Therefore, the memory cell including the MTJ element 1B of the second embodiment can take both the “1” data holding state and the “0” data holding state at the memory operating temperature (for example, 100 ° C. or lower).

図11の特性線LM3,LM4及び図12の(b)に示されるように、実装温度T以上の温度領域において、フェリ磁性膜17中の2つの副格子のうちネール温度の低い一方の副格子(ここでは、Tb副格子)の磁化94Xが、他方の副格子(ここでは、Co副格子)の磁化93Xに比較して、大きく減衰する。一方、実装温度T以上の温度領域において、他方の副格子(Co副格子)の磁化93Xは、残留する。 As shown in (b) of the characteristic line LM3, LM4 and 12 in FIG. 11, the mounting temperature T j above temperature range, while a low Neel temperature of the two sub-gratings in the ferrimagnetic film 17 sub The magnetization 94X of the lattice (here, the Tb sublattice) is greatly attenuated compared to the magnetization 93X of the other sublattice (here, the Co sublattice). On the other hand, in mounting temperature T j above temperature range, the magnetization 93X of the other sublattice (Co sublattice) is residual.

そのため、実装温度T以上の温度領域において、フェリ磁性膜17中のCo副格子の磁化93Xの向き及び参照層側界面層16の磁化の向きと同じ向きの漏れ磁場が、記憶層10に作用し、Co副格子の漏れ磁場及び界面層16の漏れ磁場に起因するシフト磁界が、記憶層10の磁化に印加される。それゆえ、実装温度T下において、記憶層10の磁化90Xの向きは、印加されたシフト磁界によって、フェリ磁性膜17中のCo副格子及び参照層側界面層16の漏れ磁場の向きと同じ向きに、固定される。 Therefore, in mounting the temperature T j above temperature range, the leakage magnetic field in the same direction as the magnetization direction of orientation and reference layer side interface layer 16 of the magnetization 93X of Co sublattice in ferrimagnetic film 17, acts in the storage layer 10 A shift magnetic field caused by the leakage magnetic field of the Co sublattice and the leakage magnetic field of the interface layer 16 is applied to the magnetization of the storage layer 10. Therefore, under the mounting temperature T j , the direction of the magnetization 90X of the storage layer 10 is the same as the direction of the leakage magnetic field of the Co sublattice in the ferrimagnetic film 17 and the reference layer side interface layer 16 due to the applied shift magnetic field. Fixed in direction.

それゆえ、実装温度下において、フェリ磁性膜17の副格子の残留磁化93X及び参照層側界面層16に起因する漏れ磁場によって、記憶層10の磁化反転が抑制される。したがって、“0”データを保持する参照電位生成セル(参照セル又はレプリカセル)は、そのデータ保持状態を安定に維持できる。   Therefore, the magnetization reversal of the storage layer 10 is suppressed by the residual magnetic field 93X of the sublattice of the ferrimagnetic film 17 and the leakage magnetic field caused by the reference layer side interface layer 16 at the mounting temperature. Therefore, the reference potential generating cell (reference cell or replica cell) that holds “0” data can stably maintain the data holding state.

図13は、フェリ磁性膜中におけるTb及びCoの組成比を変化させた場合における、フェリ磁性膜の磁化温度依存性を示している。図13の横軸は、温度(単位:℃)を示し、図13の縦軸は、飽和磁化Ms(任意単位)を示している。図13における特性線SS1は、Tb副格子の組成比がCo副格子の組成比より多いフェリ磁性膜の磁化温度依存性を示している。図13における特性線SS2は、Co副格子の組成比がTb副格子の組成比より多いフェリ磁性膜の磁化温度依存性を示している。   FIG. 13 shows the magnetization temperature dependence of the ferrimagnetic film when the composition ratio of Tb and Co in the ferrimagnetic film is changed. The horizontal axis in FIG. 13 indicates temperature (unit: ° C.), and the vertical axis in FIG. 13 indicates saturation magnetization Ms (arbitrary unit). A characteristic line SS1 in FIG. 13 shows the magnetization temperature dependence of the ferrimagnetic film in which the composition ratio of the Tb sublattice is larger than the composition ratio of the Co sublattice. A characteristic line SS2 in FIG. 13 shows the magnetization temperature dependence of the ferrimagnetic film in which the composition ratio of the Co sublattice is larger than the composition ratio of the Tb sublattice.

図13において、Tb及びCoを含むフェリ磁性膜の飽和磁化が正であるか負であるかは、そのフェリ磁性膜の磁化の向きを示している。例えば、フェリ磁性膜の磁化が、正の値を有している場合である場合、MTJ素子は“0”データ保持状態(第1安定状態)を示し、例えば、フェリ磁性膜の磁化が、負の値を有している場合である場合、MTJ素子は“1”データ保持状態(第2安定状態)を示す。   In FIG. 13, whether the saturation magnetization of the ferrimagnetic film containing Tb and Co is positive or negative indicates the direction of magnetization of the ferrimagnetic film. For example, when the magnetization of the ferrimagnetic film has a positive value, the MTJ element shows a “0” data holding state (first stable state). For example, the magnetization of the ferrimagnetic film is negative. In the case of having the value of “1”, the MTJ element indicates the “1” data holding state (second stable state).

図13に示されるように、CoとTbとを含むフェリ磁性膜中におけるCo副格子の組成比よりもTb副格子の組成比が増大すると、フェリ磁性膜におけるTb副格子の磁化が消失する温度は、低くなる。   As shown in FIG. 13, when the composition ratio of the Tb sublattice increases more than the composition ratio of the Co sublattice in the ferrimagnetic film containing Co and Tb, the temperature at which the magnetization of the Tb sublattice in the ferrimagnetic film disappears. Becomes lower.

図13に示されるようなフェリ磁性膜におけるCoとTbとの組成比と各副格子の磁化特性とを考慮して、実装温度(例えば、160℃から300℃)において、Co副格子の漏れ磁場がTb副格子の漏れ磁場よりも十分に大きくなるように、MTJ素子のフェリ磁性膜の磁気特性が設計される。   Considering the composition ratio of Co and Tb in the ferrimagnetic film as shown in FIG. 13 and the magnetization characteristics of each sublattice, the leakage magnetic field of the Co sublattice at the mounting temperature (for example, 160 ° C. to 300 ° C.). Is designed to be sufficiently larger than the leakage magnetic field of the Tb sublattice so that the magnetic properties of the ferrimagnetic film of the MTJ element are designed.

ここで、実装温度下において、本実施形態におけるフェリ磁性膜及び参照層側界面層を含むMTJ素子1Bが、“0”データ保持状態(低抵抗状態、磁化配列が平行状態)を維持する場合について、検証する。   Here, a case where the MTJ element 1B including the ferrimagnetic film and the reference layer side interface layer in the present embodiment maintains a “0” data retention state (low resistance state, magnetization arrangement in a parallel state) at the mounting temperature. , Verify.

磁性層のパラメータの検証に用いられたMTJ素子の構成について説明する。MTJ素子の直径は、30nmに設定されている。そのMTJ素子の記憶層の膜厚は、2nmに設定され、トンネルバリア層の膜厚は、1nmに設定される。そして、85℃において、記憶層の磁化反転エネルギーバリア(熱安定性指標)ΔE/kTは、60に設定され、記憶層の異方性磁界Hkは、6996Oeに設定されている。 The configuration of the MTJ element used for verifying the parameters of the magnetic layer will be described. The diameter of the MTJ element is set to 30 nm. The thickness of the storage layer of the MTJ element is set to 2 nm, and the thickness of the tunnel barrier layer is set to 1 nm. At 85 ° C., the magnetization reversal energy barrier (thermal stability index) ΔE / k B T of the storage layer is set to 60, and the anisotropic magnetic field Hk of the storage layer is set to 6996 Oe.

本実施形態において、実装温度Tは、160℃とする。 In the present embodiment, the mounting temperature T j is 160 ° C.

本実施形態のMTJ素子において、160℃における記憶層の磁化反転エネルギーバリアΔE/kTは45まで減衰し、異方性磁界Hkが3650Oeまで減衰する。この場合、記憶層が“0”データ保持状態を安定に維持するための漏れ磁場(シフト磁界)Hextの大きさは、上述の(式1)に基づくと、880Oeである。 In the MTJ element of this embodiment, the magnetization reversal energy barrier ΔE / k B T of the storage layer at 160 ° C. attenuates to 45, and the anisotropic magnetic field Hk attenuates to 3650 Oe. In this case, the magnitude of the leakage magnetic field (shift magnetic field) H ext for stably maintaining the storage layer in the “0” data holding state is 880 Oe based on the above (Equation 1).

それを鑑みて、フェリ磁性膜17と参照層側界面層16との膜厚の合計(参照層12全体の膜厚)は、11nmに設定される。そして、フェリ磁性膜17中のTb及びCoの組成比(Tb:Co)が、4:1に設定される。   In view of this, the total thickness of the ferrimagnetic film 17 and the reference layer side interface layer 16 (the thickness of the entire reference layer 12) is set to 11 nm. Then, the composition ratio (Tb: Co) of Tb and Co in the ferrimagnetic film 17 is set to 4: 1.

このフェリ磁性膜17を含む参照層12において、フェリ磁性膜17及び参照層側界面層16の全体の賞味の磁化NetMsは、ほぼ0(ゼロ)emu/ccになる。そして、85℃において記憶層に印加されるシフト磁界(漏れ磁場)Hextは、0(ゼロ)Oeとなる。 In the reference layer 12 including the ferrimagnetic film 17, the total net magnetization NetMs of the ferrimagnetic film 17 and the reference layer side interface layer 16 is approximately 0 (zero) emu / cc. The shift magnetic field (leakage magnetic field) H ext applied to the memory layer at 85 ° C. is 0 (zero) Oe.

そして、160℃において、フェリ磁性膜17中のTb副格子の磁化は消滅し、フェリ磁性膜17中のCo副格子の磁化及び参照層側界面層16の磁化は残存する。上記の膜厚及びフェリ磁性膜の組成比が設定された参照層12を含むMTJ素子1Bにおいて、160℃における記憶層10に印加される漏れ磁場Hextの大きさは、880Oeとなる。 At 160 ° C., the magnetization of the Tb sublattice in the ferrimagnetic film 17 disappears, and the magnetization of the Co sublattice in the ferrimagnetic film 17 and the magnetization of the reference layer side interface layer 16 remain. In the MTJ element 1B including the reference layer 12 in which the film thickness and the composition ratio of the ferrimagnetic film are set, the magnitude of the leakage magnetic field H ext applied to the storage layer 10 at 160 ° C. is 880 Oe.

尚、参照層側界面層16としてのCoFeB層の各元素の組成比は、ここで示された関係が満たされるように、適宜設定される。   The composition ratio of each element of the CoFeB layer as the reference layer side interface layer 16 is appropriately set so that the relationship shown here is satisfied.

以上のように、ここで例示したMTJ素子1Bの参照層(フェリ磁性膜及び界面層)及び記憶層のパラメータによれば、実装温度(ここでは、160℃)条件下において、参照層12と記憶層10との磁化配列が、“0”データ保持状態を維持するシフト磁界を、確保できる。   As described above, according to the parameters of the reference layer (the ferrimagnetic film and the interface layer) and the storage layer of the MTJ element 1B exemplified here, the reference layer 12 and the storage are stored under the mounting temperature (160 ° C. here) condition. The magnetic field with the layer 10 can secure a shift magnetic field that maintains the “0” data retention state.

以上のように、本実施形態のMTJ素子1Bにおいて、フェリ磁性膜17及び参照層側界面層16の膜厚、フェリ磁性膜17が含む副格子の組成比を、それぞれ制御することによって、上述の(式1)を満たすように、実装温度下における参照層12からの漏れ磁場に起因して記憶層10に印加されるシフト磁界を、得ることができる。   As described above, in the MTJ element 1B of this embodiment, the film thicknesses of the ferrimagnetic film 17 and the reference layer side interface layer 16 and the composition ratio of the sublattice included in the ferrimagnetic film 17 are controlled, respectively. A shift magnetic field applied to the storage layer 10 due to the leakage magnetic field from the reference layer 12 under the mounting temperature can be obtained so as to satisfy (Equation 1).

本実施形態の磁気抵抗効果素子1Bは、フェリ磁性膜及び界面層を有する参照層を含み、フェリ磁性膜中の2つの副格子(希土類金属副格子及び遷移金属副格子)は、互いに異なる磁化温度依存性を有する。   The magnetoresistive effect element 1B of this embodiment includes a reference layer having a ferrimagnetic film and an interface layer, and two sublattices (rare earth metal sublattice and transition metal sublattice) in the ferrimagnetic film have different magnetization temperatures. Has dependency.

これによって、本実施形態の磁気抵抗効果素子1Bは、メモリ動作温度下において、シフト磁界がキャンセルされるため、書き込むデータに応じて、記憶層の磁化が反転する。そして、本実施形態の磁気抵抗効果素子1Bは、実装温度下において、フェリ磁性膜中の副格子の温度依存性の違いによって、シフト磁界が残留し、そのシフト磁界によって、記憶層の磁化反転が抑制され、所定のデータ保持状態が維持される。   Thereby, in the magnetoresistive effect element 1B of the present embodiment, the shift magnetic field is canceled at the memory operating temperature, so that the magnetization of the storage layer is reversed according to the data to be written. In the magnetoresistive effect element 1B according to the present embodiment, the shift magnetic field remains due to the temperature dependence of the sublattice in the ferrimagnetic film at the mounting temperature, and the magnetization reversal of the storage layer is caused by the shift magnetic field. It is suppressed and a predetermined data holding state is maintained.

それゆえ、本実施形態の磁気抵抗効果素子を含む磁気メモリは、メモリ動作時にメモリセルに対してデータを書き込むことができるとともに、実装工程時の熱に起因してMTJ素子に磁化反転が生じ、参照電位生成セルが保持すべきデータが変化するのを、抑制できる。したがって、本実施形態の磁気抵抗効果素子及びそれを含む磁気メモリは、第1の実施形態と同様に、実装工程における熱に起因して、磁気メモリに動作不良が生じるのを、抑制できる。   Therefore, the magnetic memory including the magnetoresistive effect element of this embodiment can write data to the memory cell during the memory operation, and magnetization reversal occurs in the MTJ element due to heat during the mounting process. It is possible to suppress a change in data to be held in the reference potential generation cell. Therefore, similarly to the first embodiment, the magnetoresistive effect element of this embodiment and the magnetic memory including the same can suppress the occurrence of malfunction in the magnetic memory due to heat in the mounting process.

本実施形態の磁気抵抗効果素子を含む磁気メモリは、実装工程後に、参照電位生成セルに対するチェック工程やデータ書き込み工程を削減でき、それらの工程のための回路を、磁気メモリのチップ内に設けずとも良くなる。また、本実施形態の磁気抵抗効果素子を含む磁気メモリは、メモリセルのMTJ素子と参照電位生成セルのMTJ素子と、同じ材料及び同じ工程を用いて、を同一チップ内に形成できる。それゆえ、本実施形態の磁気抵抗効果素子を含む磁気メモリは、磁気メモリの製造の効率化を図ることができ、磁気メモリの製造コストの増大を抑制できる。   The magnetic memory including the magnetoresistive effect element according to the present embodiment can reduce the check process and the data write process for the reference potential generation cell after the mounting process, and the circuit for these processes is not provided in the chip of the magnetic memory. Both get better. Also, the magnetic memory including the magnetoresistive effect element of this embodiment can be formed in the same chip by using the same material and the same process as the MTJ element of the memory cell and the MTJ element of the reference potential generating cell. Therefore, the magnetic memory including the magnetoresistive effect element according to the present embodiment can increase the efficiency of manufacturing the magnetic memory, and can suppress an increase in the manufacturing cost of the magnetic memory.

尚、フェリ磁性膜及び参照層側界面層に用いる材料を適宜設定することによって、メモリ動作温度下において、シフトキャンセル状態における磁化反転を実行でき、実装温度条件において、“1”データ保持状態を安定に維持できるMTJ素子を形成できる。   By appropriately setting the materials used for the ferrimagnetic film and the reference layer side interface layer, the magnetization reversal in the shift cancel state can be executed under the memory operating temperature, and the “1” data retention state is stable under the mounting temperature condition. An MTJ element that can be maintained at a high level can be formed.

以上のように、第2の実施形態の磁気抵抗効果素子によれば、第1の実施形態と同様に、製造工程中の熱に起因したメモリの動作不良を抑制できる。   As described above, according to the magnetoresistive effect element of the second embodiment, it is possible to suppress the memory malfunction caused by the heat during the manufacturing process as in the first embodiment.

[その他]
本実施形態において、複数の磁性層の磁化温度依存性の違いを利用して、参照セル及びレプリカセルの磁気抵抗効果素子(MTJ素子)が、実装工程時の熱に起因する磁化反転を抑制する構成について述べた。ただし、各実施形態のMTJ素子1Aを含む磁気メモリは、ROMであってもよい。ROMのメモリ素子としてのMTJ素子において、複数の磁性層の磁化温度依存性の違いによって、実装工程時の熱に起因するMTJ素子の磁化反転が抑制されてもよい。これによって、熱に起因してROMのMTJ素子の磁化反転が意図せずに発生するのを抑制でき、ROMの記憶すべきデータが誤ったデータに書き換わるのを抑制できる。
[Others]
In the present embodiment, the magnetoresistive effect element (MTJ element) of the reference cell and the replica cell suppresses the magnetization reversal caused by heat during the mounting process by utilizing the difference in the magnetization temperature dependence of the plurality of magnetic layers. The configuration was described. However, the magnetic memory including the MTJ element 1A of each embodiment may be a ROM. In the MTJ element as a ROM memory element, the magnetization reversal of the MTJ element due to heat during the mounting process may be suppressed by the difference in the magnetization temperature dependence of the plurality of magnetic layers. As a result, unintentional magnetization reversal of the MTJ element in the ROM due to heat can be suppressed, and data to be stored in the ROM can be suppressed from being rewritten with incorrect data.

参照電位生成セル(参照セル及びレプリカセル)を用いた磁気メモリのデータ読み出しについて、述べる。磁気メモリのデータ読み出しのためのセンスアンプに入力される参照信号(電位又は電流)の生成方式として、例えば、以下の3つの方式がある。
第1の方式として、高抵抗状態(反平行状態、“1”データ保持状態)の参照セルと低抵抗状態(平行状態、“0”データ保持状態)の参照セルとによって、合成抵抗を形成する。これによって、“1”データ保持状態の抵抗値と“0”データ保持状態の抵抗値との中間の抵抗値(以下、中間抵抗とよぶ)が、形成される。この中間抵抗を形成する2つの参照セルに、電流(又は電圧)を与えて、データ読み出しのための参照信号が生成される。この参照信号の生成方式において、数十kbitの参照セルがチップ内に設けられる。
Data reading from a magnetic memory using reference potential generation cells (reference cells and replica cells) will be described. For example, there are the following three methods for generating a reference signal (potential or current) input to a sense amplifier for reading data from a magnetic memory.
As a first method, a combined resistance is formed by a reference cell in a high resistance state (anti-parallel state, “1” data holding state) and a reference cell in a low resistance state (parallel state, “0” data holding state). . As a result, an intermediate resistance value between the resistance value in the “1” data holding state and the resistance value in the “0” data holding state (hereinafter referred to as an intermediate resistance) is formed. A current (or voltage) is applied to the two reference cells forming the intermediate resistor, and a reference signal for data reading is generated. In this reference signal generation method, a reference cell of several tens of kbits is provided in a chip.

第2の方式として、反平行状態から平行状態に磁化反転させる方向に流れる読み出し電流(記憶層から参照層へ流れる電流)を用いて、データを読み出す場合、“0”データ保持状態の参照セルが、1個用いられる。そして、参照セルが接続されたビット線の電位が、1つの“0”データ保持状態のレプリカセルと1つの“1”データ保持状態のレプリカセルとを用いて、生成される。この参照信号の生成方式において、数十kbitの“0”データ保持状態の参照セルがチップ内に設けられる。また、数十bitの“0”データ保持状態及び“1”データ保持状態のレプリカセルがチップ内にそれぞれ設けられる。   As a second method, when data is read using a read current (current flowing from the storage layer to the reference layer) that flows in the direction of magnetization reversal from the antiparallel state to the parallel state, the reference cell in the “0” data holding state is 1 is used. The potential of the bit line to which the reference cell is connected is generated using one replica cell in the “0” data holding state and one replica cell in the “1” data holding state. In this reference signal generation method, a reference cell in a “0” data holding state of several tens of kbits is provided in a chip. In addition, a replica cell of “0” data holding state and “1” data holding state of several tens of bits is provided in the chip.

第3の方式として、平行状態から反平行状態に磁化反転させる方向に流れる読み出し電流(参照層から記憶層へ流れる電流)を用いて、データを読み出す場合、“1”データ保持状態の参照セルが、1個用いられる。そして、参照セルが接続されたビット線の電位が、1つの“0”データ保持状態のレプリカセルと1つの“1”データ保持状態のレプリカセルとを用いて、生成される。この参照信号の生成方式において、数十kbitの“0”データ保持状態の参照セルがチップ内に設けられる。また、数十bitの“0”データ保持状態及び“1”データ保持状態のレプリカセルがチップ内にそれぞれ設けられる。   As a third method, when data is read using a read current (current flowing from the reference layer to the storage layer) that flows in the direction of magnetization reversal from the parallel state to the antiparallel state, the reference cell in the “1” data holding state is 1 is used. The potential of the bit line to which the reference cell is connected is generated using one replica cell in the “0” data holding state and one replica cell in the “1” data holding state. In this reference signal generation method, a reference cell in a “0” data holding state of several tens of kbits is provided in a chip. In addition, a replica cell of “0” data holding state and “1” data holding state of several tens of bits is provided in the chip.

第2及び第3の方式のように、レプリカセルを用いてデータ読み出しのための参照信号が生成されるのは、読み出し電流による参照セルの読み出しディスターブ(参照セルの磁化の反転)を抑制するためである。   The reason why the reference signal for data reading is generated using the replica cell as in the second and third methods is to suppress the read disturb (reversal of magnetization of the reference cell) of the reference cell due to the read current. It is.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

1A,1B:磁気抵抗効果素子、MC:メモリセル、RC:参照電位生成セル、10:記憶層、11:非磁性層、12:参照層、13:シフト調整層、16:界面層、17:フェリ磁性膜。   1A, 1B: magnetoresistive effect element, MC: memory cell, RC: reference potential generation cell, 10: storage layer, 11: nonmagnetic layer, 12: reference layer, 13: shift adjustment layer, 16: interface layer, 17: Ferrimagnetic film.

Claims (5)

垂直磁気異方性を有し、磁化の向きが可変な記憶層と、
垂直磁気異方性を有し、磁化の向きが不変な参照層と、
前記記憶層と前記参照層との間の非磁性層と、
前記参照層における前記非磁性層が設けられた側に対して反対側に設けられ、垂直磁気異方性を有し、磁化の向きが不変なシフト調整層と、
を具備し、
前記参照層は第1の磁化温度依存性を有し、前記シフト調整層は前記第1の磁化温度依存性と異なる第2の磁化温度依存性を有し、
メモリ動作温度において、前記参照層の漏れ磁場と前記シフト調整層の漏れ磁場とは互いにキャンセルされ、
実装温度において、前記参照層及び前記シフト調整層のうち一方に起因するシフト磁界が、前記記憶層の磁化に印加される、
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
A storage layer having perpendicular magnetic anisotropy and a variable magnetization direction;
A reference layer having perpendicular magnetic anisotropy and an invariable magnetization direction;
A nonmagnetic layer between the storage layer and the reference layer;
A shift adjustment layer provided on the opposite side of the reference layer to the side on which the nonmagnetic layer is provided, having a perpendicular magnetic anisotropy, and having a magnetization orientation unchanged;
Comprising
The reference layer has a first magnetization temperature dependency; the shift adjustment layer has a second magnetization temperature dependency different from the first magnetization temperature dependency;
At the memory operating temperature, the leakage magnetic field of the reference layer and the leakage magnetic field of the shift adjustment layer are canceled each other,
At the mounting temperature, a shift magnetic field caused by one of the reference layer and the shift adjustment layer is applied to the magnetization of the storage layer.
A magnetoresistive effect element.
垂直磁気異方性を有し、磁化の向きが可変な記憶層と
垂直磁気異方性を有し、磁化の向きが不変であり、第1の副格子と第2の副格子とを含むフェリ磁性膜を含む参照層と、
前記参照層と前記記憶層との間の非磁性層と、
前記フェリ磁性膜と前記非磁性層との間に設けられ、垂直磁気異方性を有する界面層と、
を具備し、
前記第1の副格子は、第1の磁化温度依存性を有し、前記第2の副格子は、前記第1の磁化温度依存性と異なる第2の磁化温度依存性を有し、
メモリ動作温度において、前記フェリ磁性膜と前記界面層との漏れ磁場は互いにキャンセルされ、
実装温度において、前記第1の副格子の磁化の大きさが前記第2の副格子の磁化の大きさより低減し、前記第2の副格子及び前記界面層に起因するシフト磁界が、前記記憶層の磁化に印加される、
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
A storage layer having perpendicular magnetic anisotropy and a variable magnetization direction, a ferrimagnetic layer having perpendicular magnetic anisotropy, in which the magnetization direction is invariant, and including a first sublattice and a second sublattice. A reference layer including a magnetic film;
A nonmagnetic layer between the reference layer and the storage layer;
An interface layer provided between the ferrimagnetic film and the nonmagnetic layer and having perpendicular magnetic anisotropy;
Comprising
The first sublattice has a first magnetization temperature dependency, and the second sublattice has a second magnetization temperature dependency different from the first magnetization temperature dependency,
At the memory operating temperature, the leakage magnetic field between the ferrimagnetic film and the interface layer is canceled each other,
At the mounting temperature, the magnitude of the magnetization of the first sub-lattice is smaller than the magnitude of the magnetization of the second sub-lattice, and the shift magnetic field caused by the second sub-lattice and the interface layer is Applied to the magnetization of
A magnetoresistive effect element.
前記実装温度下において、前記記憶層の磁化の向きは、前記シフト磁界の向きと平行である、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の磁気抵抗効果素子。   3. The magnetoresistive effect element according to claim 1, wherein the direction of magnetization of the storage layer is parallel to the direction of the shift magnetic field at the mounting temperature. 4. 前記第1の副格子は、Tb、Dy及びSmを含むグループから選択される少なくとも1の元素であり、前記第2の副格子は、Co及びFeを含むグループから選択される少なくとも1つの元素である、ことを特徴とする請求項2乃至3のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子。   The first sublattice is at least one element selected from the group including Tb, Dy, and Sm, and the second sublattice is at least one element selected from the group including Co and Fe. The magnetoresistive element according to claim 2, wherein the magnetoresistive element is provided. 前記メモリ動作温度は100℃以下であり、前記実装温度は160℃以上であることを特徴とする、請求項1乃至4のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子。   5. The magnetoresistive effect element according to claim 1, wherein the memory operating temperature is 100 ° C. or lower, and the mounting temperature is 160 ° C. or higher.
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