JP2017174910A - Magnetic storage element and nonvolatile storage device - Google Patents

Magnetic storage element and nonvolatile storage device Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a magnetic storage element and a nonvolatile storage device with high reliability.SOLUTION: A magnetic storage element includes a first magnetic layer, a second magnetic layer, a first non-magnetic layer, and a second non-magnetic layer. The first non-magnetic layer is provided between the first magnetic layer and the second magnetic layer. The magnetization of the first magnetic layer is substantially fixed, and the direction of the magnetization of the second magnetic layer is variable. A first direction is a direction from the first magnetic layer to the second magnetic layer. At least a part of the second non-magnetic layer overlaps with at least a part of the first magnetic layer in a second direction orthogonal to the first direction. The second non-magnetic layer is electrically connected to the first magnetic layer.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明の実施形態は、磁気記憶素子及び不揮発性記憶装置に関する。   Embodiments described herein relate generally to a magnetic memory element and a nonvolatile memory device.

磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM:Magnetic Random Access Memory)において、データ記憶部に、例えば、強磁性トンネル接合(MTJ:Magnetic Tunnel Junction)素子が用いられる。強磁性トンネル接合において、トンネル磁気抵抗(TMR:Tunneling MagnetoResistive)効果が得られる。磁気記憶素子及び不揮発性記憶装置において、信頼性の向上が望まれる。   In a magnetic random access memory (MRAM), for example, a ferromagnetic tunnel junction (MTJ) element is used in a data storage unit. In the ferromagnetic tunnel junction, a tunneling magnetoresistive (TMR) effect is obtained. In the magnetic memory element and the nonvolatile memory device, improvement in reliability is desired.

特開2014−179639号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-179639

本発明の実施形態は、信頼性の高い磁気記憶素子及び不揮発性記憶装置を提供する。   Embodiments of the present invention provide a highly reliable magnetic memory element and nonvolatile memory device.

本発明の実施形態によれば、磁気記憶素子は、第1磁性層と、第2磁性層と、第1非磁性層と、第2非磁性層と、を含む。前記第1非磁性層は、前記第1磁性層と前記第2磁性層との間に設けられる。第1方向は、前記第1磁性層から前記第2磁性層に向かう方向である。前記第2非磁性層の少なくとも一部は、前記第1方向に対して直交する第2方向において、前記第1磁性層の少なくとも一部と重なる。前記第2非磁性層は、前記第1磁性層と電気的に接続される。前記第1磁性層の磁化は実質的に固定され、前記第2磁性層の磁化の方向は可変である。   According to the embodiment of the present invention, the magnetic memory element includes a first magnetic layer, a second magnetic layer, a first nonmagnetic layer, and a second nonmagnetic layer. The first nonmagnetic layer is provided between the first magnetic layer and the second magnetic layer. The first direction is a direction from the first magnetic layer toward the second magnetic layer. At least a part of the second nonmagnetic layer overlaps at least a part of the first magnetic layer in a second direction orthogonal to the first direction. The second nonmagnetic layer is electrically connected to the first magnetic layer. The magnetization of the first magnetic layer is substantially fixed, and the magnetization direction of the second magnetic layer is variable.

図1(a)及び図1(b)は、第1の実施形態に係る磁気記憶素子を例示する模式図である。FIG. 1A and FIG. 1B are schematic views illustrating the magnetic memory element according to the first embodiment. 図2(a)〜図2(c)は、第1の実施形態に係る別の磁気記憶素子を例示する模式図である。FIG. 2A to FIG. 2C are schematic views illustrating another magnetic memory element according to the first embodiment. 図3(a)〜図3(c)は、第1の実施形態に係る別の磁気記憶素子を例示する模式図である。FIG. 3A to FIG. 3C are schematic views illustrating another magnetic memory element according to the first embodiment. 図4(a)及び図4(b)は、磁気記憶素子のシミュレーション結果を例示する模式図である。FIG. 4A and FIG. 4B are schematic views illustrating simulation results of the magnetic memory element. 磁気記憶素子の特性を例示する模式的断面である。3 is a schematic cross section illustrating characteristics of a magnetic memory element. 第1の実施形態に係る別の磁気記憶素子を例示する模式的断面図である。6 is a schematic cross-sectional view illustrating another magnetic memory element according to the first embodiment. FIG. 第1の実施形態に係る別の磁気記憶素子を例示する模式的断面図である。6 is a schematic cross-sectional view illustrating another magnetic memory element according to the first embodiment. FIG. 第1の実施形態に係る別の磁気記憶素子を例示する模式的断面図である。6 is a schematic cross-sectional view illustrating another magnetic memory element according to the first embodiment. FIG. 第1の実施形態に係る別の磁気記憶素子を例示する模式的斜視図である。FIG. 6 is a schematic perspective view illustrating another magnetic memory element according to the first embodiment. 第1の実施形態に係る別の不揮発性記憶装置を例示する模式図である。FIG. 4 is a schematic view illustrating another nonvolatile memory device according to the first embodiment. 図11(a)及び図11(b)は、磁化を例示する模式図である。FIG. 11A and FIG. 11B are schematic views illustrating magnetization. 図12(a)〜図12(d)は、第1の実施形態に係る不揮発性記憶装置の動作を例示する模式図である。FIG. 12A to FIG. 12D are schematic views illustrating the operation of the nonvolatile memory device according to the first embodiment. 図13(a)〜図13(d)は、第1の実施形態に係る不揮発性記憶装置の動作を例示する模式図である。FIG. 13A to FIG. 13D are schematic views illustrating the operation of the nonvolatile memory device according to the first embodiment. 図14(a)及び図14(b)は、第1の実施形態に係る不揮発性記憶装置の動作を例示する模式図である。FIG. 14A and FIG. 14B are schematic views illustrating the operation of the nonvolatile memory device according to the first embodiment. 図15(a)〜図15(f)は、第1の実施形態に係る磁気記憶素子の製造方法を例示する模式的断面図である。FIG. 15A to FIG. 15F are schematic cross-sectional views illustrating the method for manufacturing the magnetic memory element according to the first embodiment. 図16(a)〜図16(d)は、第1の実施形態に係る磁気記憶素子の製造方法を例示する模式的断面図である。FIG. 16A to FIG. 16D are schematic cross-sectional views illustrating the method for manufacturing the magnetic memory element according to the first embodiment. 図17(a)〜図17(e)は、第1の実施形態に係る磁気記憶素子の別の製造方法を例示する模式的断面図である。FIG. 17A to FIG. 17E are schematic cross-sectional views illustrating another method for manufacturing the magnetic memory element according to the first embodiment. 図18(a)〜図18(d)は、第1の実施形態に係る磁気記憶素子の別の製造方法を例示する模式的断面図である。FIG. 18A to FIG. 18D are schematic cross-sectional views illustrating another method for manufacturing the magnetic memory element according to the first embodiment. 第1の実施形態に係る別の不揮発性記憶装置を例示する模式的断面図である。3 is a schematic cross-sectional view illustrating another nonvolatile memory device according to the first embodiment. FIG. 図20(a)〜図20(j)は、第1の実施形態に係る別の磁気記憶素子を例示する模式的断面図である。FIG. 20A to FIG. 20J are schematic cross-sectional views illustrating other magnetic memory elements according to the first embodiment. 第1の実施形態に係る別の不揮発性記憶装置を例示する模式図である。FIG. 4 is a schematic view illustrating another nonvolatile memory device according to the first embodiment. 第1の実施形態に係る別の磁気記憶素子を例示する模式的断面図である。6 is a schematic cross-sectional view illustrating another magnetic memory element according to the first embodiment. FIG. 第1の実施形態に係る別の不揮発性記憶装置を例示する模式的断面図である。3 is a schematic cross-sectional view illustrating another nonvolatile memory device according to the first embodiment. FIG. 第2の実施形態に係る不揮発性記憶装置を例示する模式図である。FIG. 6 is a schematic view illustrating a nonvolatile memory device according to a second embodiment. 第2の実施形態に係る不揮発性記憶装置を例示する模式図である。FIG. 6 is a schematic view illustrating a nonvolatile memory device according to a second embodiment. 図26(a)〜図26(c)は、第3の実施形態に係る不揮発性記憶装置を例示する模式図である。FIG. 26A to FIG. 26C are schematic views illustrating the nonvolatile memory device according to the third embodiment.

以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
Each embodiment will be described below with reference to the drawings.
The drawings are schematic or conceptual, and the relationship between the thickness and width of each part, the size ratio between the parts, and the like are not necessarily the same as actual ones. Even in the case of representing the same part, the dimensions and ratios may be represented differently depending on the drawings.
In the present specification and drawings, the same elements as those described above with reference to the previous drawings are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted as appropriate.

(第1の実施形態)
図1(a)及び図1(b)は、第1の実施形態に係る磁気記憶素子を例示する模式図である。
図1(a)は、斜視図である。図1(b)は、図1(a)のA1−A2線断面図である。
(First embodiment)
FIG. 1A and FIG. 1B are schematic views illustrating the magnetic memory element according to the first embodiment.
FIG. 1A is a perspective view. FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line A1-A2 of FIG.

図1(a)及び図1(b)に示すように、磁気記憶素子110は、第1磁性層10と、第2磁性層20と、第1非磁性層31と、第2非磁性層32と、を含む。磁気記憶素子110は、第5非磁性層35と、第8磁性層18と、をさらに含む。第5非磁性層35と、第8磁性層18と、は、除いてもよい。   As shown in FIGS. 1A and 1B, the magnetic memory element 110 includes a first magnetic layer 10, a second magnetic layer 20, a first nonmagnetic layer 31, and a second nonmagnetic layer 32. And including. The magnetic memory element 110 further includes a fifth nonmagnetic layer 35 and an eighth magnetic layer 18. The fifth nonmagnetic layer 35 and the eighth magnetic layer 18 may be omitted.

第1磁性層10から第2磁性層20に向かう方向を第1方向とする。第1方向は、第1磁性層10、第1非磁性層31及び第2磁性層20の積層方向SD1に対応する。   A direction from the first magnetic layer 10 toward the second magnetic layer 20 is defined as a first direction. The first direction corresponds to the stacking direction SD1 of the first magnetic layer 10, the first nonmagnetic layer 31, and the second magnetic layer 20.

本願明細書において、積層されている状態は、直接接して重ねられる状態の他に、間に他の要素が挿入されて重ねられる場合も含む。   In the specification of the present application, the state of being stacked includes not only the state of being stacked in direct contact but also the case of being stacked with another element inserted therebetween.

第1方向をZ軸方向とする。Z軸方向に対して垂直な1つの方向を、例えば、X軸方向とする。Z軸方向及びX軸方向に対して垂直な方向をY軸方向とする。   The first direction is the Z-axis direction. One direction perpendicular to the Z-axis direction is, for example, the X-axis direction. A direction perpendicular to the Z-axis direction and the X-axis direction is taken as a Y-axis direction.

第2非磁性層32の少なくとも一部は、第1方向に対して直交する第2方向において、第1磁性層10の少なくとも一部と重なる。第2非磁性層32は、第1磁性層10と電気的に接続される。第2方向は、X−Y平面内の1つの方向(任意の方向)である。第2非磁性層32は、X−Y平面内の複数の方向において、第1磁性層10の少なくとも一部と重なっても良い。この例では、第2非磁性層32は、第1磁性層10の周りに設けられている。以下では、第2方向をX軸方向とする。   At least a part of the second nonmagnetic layer 32 overlaps at least a part of the first magnetic layer 10 in the second direction orthogonal to the first direction. The second nonmagnetic layer 32 is electrically connected to the first magnetic layer 10. The second direction is one direction (arbitrary direction) in the XY plane. The second nonmagnetic layer 32 may overlap at least a part of the first magnetic layer 10 in a plurality of directions in the XY plane. In this example, the second nonmagnetic layer 32 is provided around the first magnetic layer 10. Hereinafter, the second direction is the X-axis direction.

例えば、図1(a)に示す例では、第1磁性層10の少なくとも一部は、X−Y平面内で、第2非磁性層32に囲まれている。   For example, in the example shown in FIG. 1A, at least a part of the first magnetic layer 10 is surrounded by the second nonmagnetic layer 32 in the XY plane.

図1(b)に示すように、第1磁性層10は、例えば、側面10wを有する。側面10wは、第1方向(Z軸方向)に対して垂直な方向(X−Y平面内の方向)と交差する。第2非磁性層32は、内側面32iwを有する。内側面32iwは、第1方向(Z軸方向)に対して垂直な方向(X−Y平面内の方向)と交差する。   As shown in FIG. 1B, the first magnetic layer 10 has, for example, a side surface 10w. The side surface 10w intersects a direction (direction in the XY plane) perpendicular to the first direction (Z-axis direction). The second nonmagnetic layer 32 has an inner side surface 32iw. The inner side surface 32iw intersects a direction (direction in the XY plane) perpendicular to the first direction (Z-axis direction).

第2非磁性層32は、内側面(面)32iwを有する。第2方向において、第2非磁性層32の内側面32iwの少なくとも一部は、第1磁性層10の側面10wの少なくとも一部と重なる。例えば、第2方向において、内側面32iwは、側面10wに対向する。内側面32iwは、側面10wと接しても良い。第2非磁性層32は、X−Y平面内で、第1磁性層10の少なくとも一部の周りに設けられている。例えば、X−Y平面内において、第2非磁性層32の一部は、分割されてもよい。   The second nonmagnetic layer 32 has an inner side surface (surface) 32iw. In the second direction, at least a part of the inner side surface 32 iw of the second nonmagnetic layer 32 overlaps at least a part of the side surface 10 w of the first magnetic layer 10. For example, in the second direction, the inner side surface 32iw faces the side surface 10w. The inner side surface 32iw may contact the side surface 10w. The second nonmagnetic layer 32 is provided around at least a part of the first magnetic layer 10 in the XY plane. For example, a part of the second nonmagnetic layer 32 may be divided in the XY plane.

第1磁性層10の磁化10mの第1方向(Z軸方向)に沿った垂直磁化成分は、第1磁性層10の磁化10mの第1方向と交差する方向における面内磁化成分よりも大きい。第1磁性層10の磁化10mの方向は、面10s(例えば主面)に対して非平行である。例えば、通常動作時(例えば書き込み時)に、第1磁性層10の磁化10mの第1方向に沿った磁化の向きは実質的に変化しない。磁化10mの方向は、例えば、第1磁性層10の面10sに対して実質的に垂直である。第1磁性層10は、第1方向において第8磁性層18及び第5非磁性層35と重なる。第1方向は、例えば、面10sに対して垂直な成分を有する。第1磁性層10は、例えば、参照層である。   The perpendicular magnetization component along the first direction (Z-axis direction) of the magnetization 10m of the first magnetic layer 10 is larger than the in-plane magnetization component in the direction intersecting the first direction of the magnetization 10m of the first magnetic layer 10. The direction of the magnetization 10m of the first magnetic layer 10 is non-parallel to the surface 10s (for example, the main surface). For example, during normal operation (for example, during writing), the magnetization direction along the first direction of the magnetization 10m of the first magnetic layer 10 does not substantially change. The direction of the magnetization 10m is substantially perpendicular to the surface 10s of the first magnetic layer 10, for example. The first magnetic layer 10 overlaps the eighth magnetic layer 18 and the fifth nonmagnetic layer 35 in the first direction. The first direction has, for example, a component perpendicular to the surface 10s. The first magnetic layer 10 is, for example, a reference layer.

第2磁性層20は、第1磁性層10とZ軸方向に重なる。第2磁性層20は、第1磁性層10とZ軸方向に離れる。第2磁性層20の磁化20mの方向は、可変である。第2磁性層20には、例えば、合金が用いられる。第2磁性層20は、例えば、記憶層である。   The second magnetic layer 20 overlaps the first magnetic layer 10 in the Z-axis direction. The second magnetic layer 20 is separated from the first magnetic layer 10 in the Z-axis direction. The direction of the magnetization 20m of the second magnetic layer 20 is variable. For example, an alloy is used for the second magnetic layer 20. The second magnetic layer 20 is, for example, a storage layer.

第2磁性層20の磁化20mの方向は、第1磁性層10の磁化10mの方向に比べて、動きやすい。第2磁性層20の磁化20mの方向は、記憶される情報に応じて変化する。すなわち、磁化20mの方向が、記憶される情報に対応する。一方、第1磁性層10の磁化10mの方向は、第2磁性層20の磁化20mの方向と比べて、相対的に動き難い。第1磁性層10の磁化10mの方向は、例えば通常動作時(例えば書き込み時)において、実質的に固定されている。記憶層の磁化の方向に比べて、磁化の方向が動きにくい場合に、「磁化の方向が実質的に固定」であるとする。   The direction of the magnetization 20 m of the second magnetic layer 20 is easier to move than the direction of the magnetization 10 m of the first magnetic layer 10. The direction of the magnetization 20m of the second magnetic layer 20 changes according to stored information. That is, the direction of the magnetization 20m corresponds to the stored information. On the other hand, the direction of the magnetization 10 m of the first magnetic layer 10 is relatively difficult to move as compared to the direction of the magnetization 20 m of the second magnetic layer 20. The direction of the magnetization 10m of the first magnetic layer 10 is substantially fixed, for example, during normal operation (for example, during writing). It is assumed that “the direction of magnetization is substantially fixed” when the direction of magnetization is hard to move compared to the direction of magnetization of the storage layer.

第1非磁性層31は、Z軸方向において第1磁性層10と第2磁性層20と重なる。第1非磁性層31は、第1磁性層10と第2磁性層20との間に設けられる。第1非磁性層31は、例えば、第1磁性層10及び第2磁性層20に接する。第1磁性層10、第1非磁性層31及び第2磁性層20は、積層方向SD1に積層される。   The first nonmagnetic layer 31 overlaps the first magnetic layer 10 and the second magnetic layer 20 in the Z-axis direction. The first nonmagnetic layer 31 is provided between the first magnetic layer 10 and the second magnetic layer 20. For example, the first nonmagnetic layer 31 is in contact with the first magnetic layer 10 and the second magnetic layer 20. The first magnetic layer 10, the first nonmagnetic layer 31, and the second magnetic layer 20 are stacked in the stacking direction SD1.

第2非磁性層32は、第2方向(X軸方向)において、第2磁性層20とは重なっていない。   The second nonmagnetic layer 32 does not overlap the second magnetic layer 20 in the second direction (X-axis direction).

第2非磁性層32は、例えば、第1磁性層10に接する。第2非磁性層32は、Y軸方向において、第1磁性層10の少なくとも一部と重なってもよい。第2非磁性層32は、Ti、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W及びPtの群から選択される少なくとも1つを含む。第2非磁性層32は、例えば、高スピンポンピング層である。   For example, the second nonmagnetic layer 32 is in contact with the first magnetic layer 10. The second nonmagnetic layer 32 may overlap at least part of the first magnetic layer 10 in the Y-axis direction. The second nonmagnetic layer 32 includes at least one selected from the group consisting of Ti, V, Nb, Mo, Ru, Pd, Ta, W, and Pt. The second nonmagnetic layer 32 is, for example, a high spin pumping layer.

「スピンポンピング」とは、例えば、ある磁性体aに、異なる物質bが接した場合、磁性体aの磁化の歳差運動に対する緩和項であるダンピング定数を実行的に上昇させる現象である。本実施形態では、スピンポンピングの効果が大きい層を「高スピンポンピング層」と呼ぶ。   “Spin pumping” is a phenomenon in which, for example, when a different substance b is in contact with a certain magnetic substance a, a damping constant, which is a relaxation term for the precession of magnetization of the magnetic substance a, is effectively increased. In the present embodiment, a layer having a large effect of spin pumping is referred to as a “high spin pumping layer”.

磁気記憶素子110を図1(a)に示すA1−A2線で切断した場合、図1(b)に示すように、第2非磁性層32は、第1部分領域32aと、第2部分領域32bと、に分けられる。第1部分領域32aは、第2方向(X軸方向)において、第2部分領域32bと重なる。第1部分領域32aは、第2方向(X軸方向)において第1磁性層10の少なくとも一部と重なる。第2部分領域32bは、第2方向(X軸方向)において第1磁性層10の少なくとも一部と重なる。第1磁性層10の少なくとも一部は、第1部分領域32aと第2部分領域32bとの間に設けられる。   When the magnetic memory element 110 is cut along the A1-A2 line shown in FIG. 1A, as shown in FIG. 1B, the second nonmagnetic layer 32 includes a first partial region 32a and a second partial region. 32b. The first partial region 32a overlaps with the second partial region 32b in the second direction (X-axis direction). The first partial region 32a overlaps at least a part of the first magnetic layer 10 in the second direction (X-axis direction). The second partial region 32b overlaps at least part of the first magnetic layer 10 in the second direction (X-axis direction). At least a part of the first magnetic layer 10 is provided between the first partial region 32a and the second partial region 32b.

第2方向(X軸方向)における第2非磁性層32と第1磁性層10との間の距離は、例えば、第2方向(X軸方向)における第1磁性層10の長さ10L(厚さ)の半分以下でもよい。第2方向における第2非磁性層32と第1磁性層10との間の距離は、例えば、第1部分領域32aと第1磁性層10との間の第2方向における距離である。第2方向における第2非磁性層32と第1磁性層10との間の距離は、例えば、第2部分領域32bと第1磁性層10との間の第2方向における距離でも良い。   The distance between the second nonmagnetic layer 32 and the first magnetic layer 10 in the second direction (X-axis direction) is, for example, the length 10L (thickness) of the first magnetic layer 10 in the second direction (X-axis direction). It may be less than half of the above. The distance between the second nonmagnetic layer 32 and the first magnetic layer 10 in the second direction is, for example, the distance between the first partial region 32a and the first magnetic layer 10 in the second direction. The distance between the second nonmagnetic layer 32 and the first magnetic layer 10 in the second direction may be, for example, the distance in the second direction between the second partial region 32 b and the first magnetic layer 10.

図1(a)及び図1(b)では、単一の磁気記憶素子110が表示されている。後述するように(図24)、磁気記憶素子110は、例えば、X−Y平面内でアレイ状に配列している。例えば、第2方向(X軸方向)における第2非磁性層32(第1部分領域32aまたは第2部分領域32b)と第1磁性層10との間の距離は、第2方向(X軸方向)において隣り合う磁気記憶素子110の間の距離の半分以下である。   In FIGS. 1A and 1B, a single magnetic memory element 110 is displayed. As will be described later (FIG. 24), the magnetic memory elements 110 are arranged in an array in the XY plane, for example. For example, the distance between the second nonmagnetic layer 32 (the first partial region 32a or the second partial region 32b) and the first magnetic layer 10 in the second direction (X-axis direction) is the second direction (X-axis direction). ) Is less than half of the distance between adjacent magnetic memory elements 110.

第8磁性層18は、Z軸方向において、第1磁性層10と重なる。第8磁性層18の磁化18mのZ軸方向に沿った垂直磁化成分は、第8磁性層18の磁化18mのZ軸方向と交差する方向における面内磁化成分よりも大きい。第8磁性層18の磁化18mの方向は、主面18sに対して非平行である。第8磁性層18の磁化18mの方向は、例えば、第8磁性層18の主面18sに対して実質的に垂直である。この例では、磁化18mの方向は、磁化10mの方向と逆である。これにより、第2磁性層20(記憶層)の位置では、Z軸方向における第1磁性層10の磁界がZ軸方向における第8磁性層18の磁界によって打ち消される。第8磁性層18は、例えば、シフト補正層である。第8磁性層18の磁化18mの方向は、第2磁性層20の磁化20mの方向と比べて、相対的に動き難い。第8磁性層18の磁化18mの方向は、例えば、実質的に固定されている。   The eighth magnetic layer 18 overlaps the first magnetic layer 10 in the Z-axis direction. The perpendicular magnetization component along the Z-axis direction of the magnetization 18m of the eighth magnetic layer 18 is larger than the in-plane magnetization component in the direction intersecting the Z-axis direction of the magnetization 18m of the eighth magnetic layer 18. The direction of the magnetization 18m of the eighth magnetic layer 18 is non-parallel to the main surface 18s. The direction of the magnetization 18m of the eighth magnetic layer 18 is substantially perpendicular to the main surface 18s of the eighth magnetic layer 18, for example. In this example, the direction of magnetization 18m is opposite to the direction of magnetization 10m. Thereby, at the position of the second magnetic layer 20 (memory layer), the magnetic field of the first magnetic layer 10 in the Z-axis direction is canceled by the magnetic field of the eighth magnetic layer 18 in the Z-axis direction. The eighth magnetic layer 18 is, for example, a shift correction layer. The direction of the magnetization 18m of the eighth magnetic layer 18 is relatively difficult to move as compared to the direction of the magnetization 20m of the second magnetic layer 20. The direction of the magnetization 18m of the eighth magnetic layer 18 is substantially fixed, for example.

第5非磁性層35は、第8磁性層18と第1磁性層10との間に設けられる。第5非磁性層35は、例えば、第8磁性層18及び第1磁性層10に接する。   The fifth nonmagnetic layer 35 is provided between the eighth magnetic layer 18 and the first magnetic layer 10. For example, the fifth nonmagnetic layer 35 is in contact with the eighth magnetic layer 18 and the first magnetic layer 10.

第2非磁性層32は、第2方向(X軸方向)において、第8磁性層18の少なくとも一部と重なる。第2非磁性層32は、第8磁性層18と電気的に接続される。第2非磁性層32は、例えば、第8磁性層18に接する。第2非磁性層32は、Y軸方向において、第8磁性層18の少なくとも一部と重なってもよい。   The second nonmagnetic layer 32 overlaps at least part of the eighth magnetic layer 18 in the second direction (X-axis direction). The second nonmagnetic layer 32 is electrically connected to the eighth magnetic layer 18. For example, the second nonmagnetic layer 32 is in contact with the eighth magnetic layer 18. The second nonmagnetic layer 32 may overlap at least part of the eighth magnetic layer 18 in the Y-axis direction.

図2(a)〜図2(c)は、第1の実施形態に係る別の磁気記憶素子を例示する模式図である。
図2(a)は、斜視図である。図2(b)は、図2(a)のA1−A2線断面図である。図2(c)は、図2(a)のB1−B2線断面図である。
FIG. 2A to FIG. 2C are schematic views illustrating another magnetic memory element according to the first embodiment.
FIG. 2A is a perspective view. FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line A1-A2 of FIG. FIG. 2C is a cross-sectional view taken along line B1-B2 of FIG.

図2(a)に示すように、磁気記憶素子111Aは、第3磁性層30と、第3非磁性層33と、をさらに含む。   As shown in FIG. 2A, the magnetic memory element 111A further includes a third magnetic layer 30 and a third nonmagnetic layer 33.

磁気記憶素子111Aにおいて、第1磁性層10、第5非磁性層35、第8磁性層18及び第2非磁性層32は、第3方向に延びる。第3方向は、第1方向(Z軸方向)及び第2方向(X軸方向)と交差する。第3方向は、例えば、Y軸方向である。第3方向(Y軸方向)における第2非磁性層32の長さLyは、第2方向(X軸方向)の第2非磁性層32の長さLxよりも長い。例えば、第1磁性層10の少なくとも一部は、X−Y平面において、第2非磁性層32に囲まれる。   In the magnetic memory element 111A, the first magnetic layer 10, the fifth nonmagnetic layer 35, the eighth magnetic layer 18, and the second nonmagnetic layer 32 extend in the third direction. The third direction intersects the first direction (Z-axis direction) and the second direction (X-axis direction). The third direction is, for example, the Y-axis direction. The length Ly of the second nonmagnetic layer 32 in the third direction (Y-axis direction) is longer than the length Lx of the second nonmagnetic layer 32 in the second direction (X-axis direction). For example, at least a part of the first magnetic layer 10 is surrounded by the second nonmagnetic layer 32 in the XY plane.

第3磁性層30は、第3方向(Y軸方向)において第2磁性層20と離間して設けられる。第3磁性層30は、第3方向(Y軸方向)において第2磁性層20と並ぶ。第3磁性層30は、Z軸方向において第1磁性層10と離間して設けられる。第3磁性層30は、Z軸方向において第1磁性層10の一部と重なる。第3磁性層30は、第1磁性層10とZ軸方向に離れる。第3磁性層30の磁化30mの方向は、可変である。第2非磁性層32は、第2方向(X軸方向)において第3磁性層30と重なっていない。第3磁性層30には、例えば、合金が用いられる。第3磁性層30は、例えば、記憶層である。第3磁性層30の数は、図示された数に限らない。   The third magnetic layer 30 is provided apart from the second magnetic layer 20 in the third direction (Y-axis direction). The third magnetic layer 30 is aligned with the second magnetic layer 20 in the third direction (Y-axis direction). The third magnetic layer 30 is provided apart from the first magnetic layer 10 in the Z-axis direction. The third magnetic layer 30 overlaps part of the first magnetic layer 10 in the Z-axis direction. The third magnetic layer 30 is separated from the first magnetic layer 10 in the Z-axis direction. The direction of the magnetization 30m of the third magnetic layer 30 is variable. The second nonmagnetic layer 32 does not overlap the third magnetic layer 30 in the second direction (X-axis direction). For example, an alloy is used for the third magnetic layer 30. The third magnetic layer 30 is, for example, a storage layer. The number of third magnetic layers 30 is not limited to the number shown.

第3非磁性層33は、Z軸方向において、第3磁性層30と第1磁性層10と重なる。第3非磁性層33は、第3磁性層30と第1磁性層10との間に設けられる。第3非磁性層33は、例えば、第3磁性層30及び第1磁性層10に接する。   The third nonmagnetic layer 33 overlaps the third magnetic layer 30 and the first magnetic layer 10 in the Z-axis direction. The third nonmagnetic layer 33 is provided between the third magnetic layer 30 and the first magnetic layer 10. For example, the third nonmagnetic layer 33 is in contact with the third magnetic layer 30 and the first magnetic layer 10.

図2(b)に示すように、第1磁性層10は、Z軸方向において、第2磁性層20に重なる。第1磁性層10は、Z軸方向において第8磁性層18と第2磁性層20との間に設けられる。   As shown in FIG. 2B, the first magnetic layer 10 overlaps the second magnetic layer 20 in the Z-axis direction. The first magnetic layer 10 is provided between the eighth magnetic layer 18 and the second magnetic layer 20 in the Z-axis direction.

第2非磁性層32の少なくとも一部は、第2方向(X軸方向)において、第1磁性層10と重なる。例えば、第2方向(X軸方向)において、第1磁性層10の側面10wの少なくとも一部は、第2非磁性層32の内側面32iwと重なる。第2方向(X軸方向)において、側面10wは、内側面32iwに接しても良い。   At least a part of the second nonmagnetic layer 32 overlaps the first magnetic layer 10 in the second direction (X-axis direction). For example, in the second direction (X-axis direction), at least a part of the side surface 10 w of the first magnetic layer 10 overlaps with the inner side surface 32 iw of the second nonmagnetic layer 32. In the second direction (X-axis direction), the side surface 10w may contact the inner side surface 32iw.

図2(c)に示すように、第2非磁性層32は、第3方向(Y軸方向)において、第1磁性層10と重なる。例えば、第3方向(Y軸方向)において、第1磁性層10の側面10wは、第2非磁性層32の内側面32iwと重なる。第3方向(Y軸方向)において、側面10wは、内側面32iwに接しても良い。   As shown in FIG. 2C, the second nonmagnetic layer 32 overlaps the first magnetic layer 10 in the third direction (Y-axis direction). For example, in the third direction (Y-axis direction), the side surface 10 w of the first magnetic layer 10 overlaps with the inner side surface 32 iw of the second nonmagnetic layer 32. In the third direction (Y-axis direction), the side surface 10w may contact the inner side surface 32iw.

第3方向(Y軸方向)に延びた第1磁性層10は、第8磁性層18と第3磁性層30との間に設けられた領域10cを有する。第2非磁性層32は、X軸方向及びY軸方向において、第1磁性層10の領域10cの少なくとも一部と重なる(図2(a)及び図2(c))。   The first magnetic layer 10 extending in the third direction (Y-axis direction) has a region 10 c provided between the eighth magnetic layer 18 and the third magnetic layer 30. The second nonmagnetic layer 32 overlaps at least a part of the region 10c of the first magnetic layer 10 in the X-axis direction and the Y-axis direction (FIGS. 2A and 2C).

図3(a)〜図3(c)は、第1の実施形態に係る別の磁気記憶素子を例示する模式図である。
図3(b)は、図3(a)のA1−A2線断面図である。図3(c)は、図3(a)のB1−B2線断面図である。
FIG. 3A to FIG. 3C are schematic views illustrating another magnetic memory element according to the first embodiment.
FIG. 3B is a cross-sectional view taken along line A1-A2 of FIG. FIG. 3C is a cross-sectional view taken along line B1-B2 of FIG.

図3(a)に示す磁気記憶素子111Bにおいて、第2非磁性層32は、第1部分領域32a及び第2部分領域32bを含む。第1方向(Z軸方向)と交差する方向(例えば、X−Y平面内の1つの方向)において、第1部分領域32aと第2部分領域32bとの間に、第1磁性層10の少なくとも一部が設けられる。例えば、第2方向(X軸方向)において、第1磁性層10の少なくとも一部は、第1部分領域32aと第2部分領域32bとの間に設けられる。   In the magnetic memory element 111B shown in FIG. 3A, the second nonmagnetic layer 32 includes a first partial region 32a and a second partial region 32b. At least the first magnetic layer 10 between the first partial region 32a and the second partial region 32b in a direction (for example, one direction in the XY plane) intersecting the first direction (Z-axis direction). Some are provided. For example, in the second direction (X-axis direction), at least a part of the first magnetic layer 10 is provided between the first partial region 32a and the second partial region 32b.

第2非磁性層32の第1部分領域32aは、第3方向(Y軸方向)に延びる。第2非磁性層32の第2部分領域32bは、第3方向(Y軸方向)に延びる。   The first partial region 32a of the second nonmagnetic layer 32 extends in the third direction (Y-axis direction). The second partial region 32b of the second nonmagnetic layer 32 extends in the third direction (Y-axis direction).

磁気記憶素子111Bにおいては、X−Y平面内において、第2非磁性層32が不連続になっている。例えば、第3方向(Y軸方向)において、第1磁性層10の側面10wの一部が露出する。   In the magnetic memory element 111B, the second nonmagnetic layer 32 is discontinuous in the XY plane. For example, a part of the side surface 10w of the first magnetic layer 10 is exposed in the third direction (Y-axis direction).

図3(b)に示すように、磁気記憶素子111Bにおいては、第1磁性層10が、第2方向(X軸方向)において、第1部分領域32aと第2部分領域32bとの間に設けられる。   As shown in FIG. 3B, in the magnetic memory element 111B, the first magnetic layer 10 is provided between the first partial region 32a and the second partial region 32b in the second direction (X-axis direction). It is done.

図3(c)に示すように、磁気記憶素子111Bにおいては、例えば、第3方向(Y軸方向)において、第1磁性層10の側面10wが露出する。   As shown in FIG. 3C, in the magnetic memory element 111B, for example, the side surface 10w of the first magnetic layer 10 is exposed in the third direction (Y-axis direction).

磁気記憶素子に書き込みを行うとき、磁気記憶素子に電流を流して記憶層の磁化が反転する。このとき、例えば、スピントランスファトルクが利用される。この動作において、参照層の磁化が安定していることが望ましい。これにより、例えば、所望の書き込み効率が確保できる。参照層において保持力が大きいことが望ましい。参照層において、磁化ダイナミクスに対する緩和項の係数であるダンピング定数は、大きいことが望ましい。   When writing to the magnetic memory element, a current is passed through the magnetic memory element to reverse the magnetization of the memory layer. At this time, for example, spin transfer torque is used. In this operation, it is desirable that the magnetization of the reference layer is stable. Thereby, for example, desired write efficiency can be ensured. It is desirable that the holding force is large in the reference layer. In the reference layer, it is desirable that a damping constant that is a coefficient of a relaxation term with respect to the magnetization dynamics is large.

磁気記憶素子においては、記憶層の磁化方向と参照層の磁化方向とが平行または非平行になるかによって、抵抗値が変化する。この抵抗値の違いを利用して、「0」または「1」の書き込みと、読み出しと、を行う。磁気記憶素子に書き込みを行うときには、磁気記憶素子に電流が流れる。例えば、記憶層から参照層の方向に電流を流すか、または参照層から記憶層の方向に電流を流すかによって「0」または「1」が記憶される。   In the magnetic memory element, the resistance value varies depending on whether the magnetization direction of the storage layer and the magnetization direction of the reference layer are parallel or non-parallel. Using this difference in resistance value, “0” or “1” is written and read. When writing to the magnetic memory element, a current flows through the magnetic memory element. For example, “0” or “1” is stored depending on whether a current flows from the storage layer to the reference layer or a current flows from the reference layer to the storage layer.

記憶層の磁化の反転のための電流量(書き込み電流Iw)は、記憶層の物性以外に、参照層の磁化の影響を受ける。電流の流れによって参照層の磁化が揺らぐと、記憶層への書き込み効率が低下する。これにより、例えば、書き込み電流が増加する可能性がある。   The amount of current for reversing the magnetization of the storage layer (write current Iw) is affected by the magnetization of the reference layer in addition to the physical properties of the storage layer. When the magnetization of the reference layer fluctuates due to the flow of current, the writing efficiency to the storage layer decreases. Thereby, for example, the write current may increase.

本願発明者は、LLG(Landau Liftshitz Gilbert)シミュレーションにより、書き込み時に、第1磁性層10(参照層)の揺らぎが小さくなる条件を探索した。第1磁性層10の材料の適正化で揺らぎを小さくしようとすると、第1磁性層10の材料選択の範囲が狭くなる。例えば、第1磁性層10の飽和磁化Msと、第1磁性層30の厚さ(SD1方向における長さ)と、の組み合わせの範囲が狭くなる。第1磁性層10の揺らぎが大きいと、書き込み電流が上昇する。これに伴い、第1磁性層10の磁化が反転するなどの動作阻害が起きる。   The inventor of the present application searched for a condition that the fluctuation of the first magnetic layer 10 (reference layer) becomes small at the time of writing by LLG (Landau Liftshitz Gilbert) simulation. If the fluctuation is attempted to be reduced by optimizing the material of the first magnetic layer 10, the material selection range of the first magnetic layer 10 is narrowed. For example, the combination range of the saturation magnetization Ms of the first magnetic layer 10 and the thickness (length in the SD1 direction) of the first magnetic layer 30 is narrowed. When the fluctuation of the first magnetic layer 10 is large, the write current increases. Along with this, operation inhibition such as reversal of magnetization of the first magnetic layer 10 occurs.

これに対して、磁気記憶素子110、111A及び111bにおいては、第1磁性層10(参照層)とX軸方向で重なるように第2非磁性層32が設けられる。第2非磁性層32は、例えば、スピンポンピング効果の大きな材料を含む。これにより、第1磁性層10の実効的なダンピング定数が上昇し、書き込み時における第1磁性層10の磁化の揺らぎが抑制される。これにより、書き込み時の電流増加が抑制される。   On the other hand, in the magnetic memory elements 110, 111A, and 111b, the second nonmagnetic layer 32 is provided so as to overlap the first magnetic layer 10 (reference layer) in the X-axis direction. The second nonmagnetic layer 32 includes, for example, a material having a large spin pumping effect. As a result, the effective damping constant of the first magnetic layer 10 increases, and the magnetization fluctuation of the first magnetic layer 10 during writing is suppressed. Thereby, an increase in current during writing is suppressed.

第1磁性層10の磁化が安定すると、例えば、X軸方向における第1磁性層10の長さ(厚さ)を短くすることができる。これにより、磁気記憶素子の微細化が可能になる。   When the magnetization of the first magnetic layer 10 is stabilized, for example, the length (thickness) of the first magnetic layer 10 in the X-axis direction can be shortened. Thereby, the magnetic memory element can be miniaturized.

磁気記憶素子111A及び111Bにおいては、第8磁性層18は、第3方向(Y軸方向)に延びる。これにより、第1磁性層10からの漏れ磁界が第8磁性層18からの補正磁界によって減少し易くなる。これにより、比較的大きな飽和磁化の材料が、第1磁性層10の材料として選択可能になる。   In the magnetic memory elements 111A and 111B, the eighth magnetic layer 18 extends in the third direction (Y-axis direction). Thereby, the leakage magnetic field from the first magnetic layer 10 is easily reduced by the correction magnetic field from the eighth magnetic layer 18. Thereby, a material having a relatively large saturation magnetization can be selected as the material of the first magnetic layer 10.

例えば、X軸方向において第2非磁性層32が第1磁性層10に重なった場合、第2非磁性層32が第1磁性層10に重なっていない場合に比べて、第1磁性層10のダンピング定数αが約10倍になる。   For example, when the second nonmagnetic layer 32 overlaps the first magnetic layer 10 in the X-axis direction, the first magnetic layer 10 does not overlap the second nonmagnetic layer 32 when it does not overlap the first magnetic layer 10. The damping constant α is about 10 times.

図4(a)及び図4(b)は、磁気記憶素子のシミュレーション結果を例示する模式図である。
グラフの横軸は、書き込み電流密度J(A/cm)である。グラフの縦軸は、書き込み確率Pwである。「α」は、第1磁性層10(参照層)のダンピング定数である。「Ku」は、第1磁性層10(参照層)の有効磁気異方性定数である。グラフにおいて、縦軸が0から1に変化したときの電流密度が、書き込み電流に対応する。
FIG. 4A and FIG. 4B are schematic views illustrating simulation results of the magnetic memory element.
The horizontal axis of the graph is the write current density J (A / cm 2 ). The vertical axis of the graph represents the write probability Pw. “Α” is a damping constant of the first magnetic layer 10 (reference layer). “Ku” is an effective magnetic anisotropy constant of the first magnetic layer 10 (reference layer). In the graph, the current density when the vertical axis changes from 0 to 1 corresponds to the write current.

例えば、図4(a)に示すように、αが0.01のとき、Kuが6以上では、書き込み電流が低い値に保たれる。しかし、Kuが5以下になると、書き込み電流が増加する。   For example, as shown in FIG. 4A, when α is 0.01 and the Ku is 6 or more, the write current is kept at a low value. However, when Ku becomes 5 or less, the write current increases.

これに対して、図4(b)に示すように、αが1のとき、Kuが1〜9の範囲で書き込み電流が低い値に保たれる。これにより、第1磁性層10の実効的なダンピング定数が上昇すると、書き込み電流の増加が抑制される。   On the other hand, as shown in FIG. 4B, when α is 1, the writing current is kept at a low value in the range of Ku from 1 to 9. As a result, when the effective damping constant of the first magnetic layer 10 increases, an increase in write current is suppressed.

図5は、磁気記憶素子の特性を例示する模式的断面図である。
図5に示すように、第2非磁性層32が第1磁性層10に接すると、第2非磁性層32が第1磁性層10に接する部分10dの磁化が低下する。これは、例えば、第2非磁性層32と第1磁性層10の混合層が生成される等による。これにより、磁気記憶素子110の第1磁性層10から漏れる磁力が低下する。これにより、例えば、磁気記憶素子110の横に位置する磁気記憶素子の誤動作が抑制される。
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view illustrating characteristics of the magnetic memory element.
As shown in FIG. 5, when the second nonmagnetic layer 32 contacts the first magnetic layer 10, the magnetization of the portion 10 d where the second nonmagnetic layer 32 contacts the first magnetic layer 10 decreases. This is because, for example, a mixed layer of the second nonmagnetic layer 32 and the first magnetic layer 10 is generated. Thereby, the magnetic force leaking from the first magnetic layer 10 of the magnetic memory element 110 is reduced. Thereby, for example, malfunction of the magnetic memory element located beside the magnetic memory element 110 is suppressed.

図6は、第1の実施形態に係る別の磁気記憶素子を例示する模式的断面図である。
図6に示す磁気記憶素子112においては、第2方向(X軸方向)における第2磁性層20の長さ20Lは、第2方向(X軸方向)における第1磁性層10の長さ10Lよりも短い。X−Y平面で切断したときの第1磁性層10の断面積は、X−Y平面で切断したときの第2磁性層20の断面積よりも大きい。X−Y平面で切断したときの第1非磁性層31の断面積は、X−Y平面で切断したときの第2磁性層20の断面積よりも大きい。X−Y平面で切断したときの第8磁性層18の断面積は、X−Y平面で切断したときの第2磁性層20の断面積よりも大きい。X−Y平面で切断したときの第1非磁性層31の断面積は、X−Y平面で切断したときの第1磁性層10の断面積よりも小さくてもよい。
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view illustrating another magnetic memory element according to the first embodiment.
In the magnetic memory element 112 shown in FIG. 6, the length 20L of the second magnetic layer 20 in the second direction (X-axis direction) is longer than the length 10L of the first magnetic layer 10 in the second direction (X-axis direction). Also short. The cross-sectional area of the first magnetic layer 10 when cut along the XY plane is larger than the cross-sectional area of the second magnetic layer 20 when cut along the XY plane. The cross-sectional area of the first nonmagnetic layer 31 when cut along the XY plane is larger than the cross-sectional area of the second magnetic layer 20 when cut along the XY plane. The cross-sectional area of the eighth magnetic layer 18 when cut along the XY plane is larger than the cross-sectional area of the second magnetic layer 20 when cut along the XY plane. The cross-sectional area of the first nonmagnetic layer 31 when cut along the XY plane may be smaller than the cross-sectional area of the first magnetic layer 10 when cut along the XY plane.

磁気記憶素子112の製造工程では、第8磁性層18、第5非磁性層35、第1磁性層10、第1非磁性層31及び第2磁性層20が予め形成される。第8磁性層18、第5非磁性層35、第1磁性層10及び第1非磁性層31がパターニングされる。このとき、例えば、X軸方向における第2磁性層20の長さは、X軸方向における第1磁性層10の長さと同じである。この後、第2非磁性層32が形成され、第2磁性層20が再度パターニングされる。X軸方向における第2磁性層20の長さは、X軸方向における第1磁性層10の長さよりも短くなるように加工される。これにより、第2磁性層20の側面には、第2非磁性層32が再堆積しにくくなる。   In the manufacturing process of the magnetic memory element 112, the eighth magnetic layer 18, the fifth nonmagnetic layer 35, the first magnetic layer 10, the first nonmagnetic layer 31, and the second magnetic layer 20 are formed in advance. The eighth magnetic layer 18, the fifth nonmagnetic layer 35, the first magnetic layer 10, and the first nonmagnetic layer 31 are patterned. At this time, for example, the length of the second magnetic layer 20 in the X-axis direction is the same as the length of the first magnetic layer 10 in the X-axis direction. Thereafter, the second nonmagnetic layer 32 is formed, and the second magnetic layer 20 is patterned again. The length of the second magnetic layer 20 in the X-axis direction is processed so as to be shorter than the length of the first magnetic layer 10 in the X-axis direction. This makes it difficult for the second nonmagnetic layer 32 to be redeposited on the side surface of the second magnetic layer 20.

図7は、第1の実施形態に係る別の磁気記憶素子を例示する模式的断面図である。
図7に示す磁気記憶素子113は、第4磁性層40と、第5磁性層50と、をさらに含む。
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view illustrating another magnetic memory element according to the first embodiment.
The magnetic memory element 113 shown in FIG. 7 further includes a fourth magnetic layer 40 and a fifth magnetic layer 50.

第4磁性層40は、Z軸方向において、第1非磁性層31と第2磁性層20とに重なる。第4磁性層40は、Z軸方向において、第1非磁性層31と第2磁性層20との間に設けられる。第4磁性層40の磁化40mの方向は、可変である。第4磁性層40には、例えば、合金が用いられる。第4磁性層40は、例えば、別の記憶層である。磁気記憶素子113においては、記憶層が第2磁性層20と第4磁性層40とを含む。記憶層は、例えば2層構造を有する。   The fourth magnetic layer 40 overlaps the first nonmagnetic layer 31 and the second magnetic layer 20 in the Z-axis direction. The fourth magnetic layer 40 is provided between the first nonmagnetic layer 31 and the second magnetic layer 20 in the Z-axis direction. The direction of the magnetization 40m of the fourth magnetic layer 40 is variable. For example, an alloy is used for the fourth magnetic layer 40. The fourth magnetic layer 40 is, for example, another storage layer. In the magnetic memory element 113, the memory layer includes the second magnetic layer 20 and the fourth magnetic layer 40. The storage layer has, for example, a two-layer structure.

第5磁性層50は、Z軸方向において、第1非磁性層31と第1磁性層10とに重なる。第5磁性層50は、Z軸方向において、第1非磁性層31と第1磁性層10との間に設けられる。第5磁性層50の磁化50mのZ軸方向に沿った垂直磁化成分は、第5磁性層50の磁化50mのZ軸方向と交差する方向における面内磁化成分よりも大きい。第5磁性層50の磁化50mの方向は、主面50sに対して非平行である。第5磁性層50の磁化50mの方向は、例えば、第5磁性層50の主面50sに対して実質的に垂直である。第5磁性層50は、例えば、別の参照層である。磁気記憶素子113において、参照層は、第1磁性層10と、第5磁性層50を、含む。参照層は、例えば2層構造を有する。第1磁性層10及び第5磁性層50のどちらか一方は、取り除かれてもよい。第5磁性層50の磁化50mの方向は、第2磁性層20の磁化20mの方向に比べて、相対的に動き難い。第5磁性層50の磁化50mの方向は、実質的に固定されている。   The fifth magnetic layer 50 overlaps the first nonmagnetic layer 31 and the first magnetic layer 10 in the Z-axis direction. The fifth magnetic layer 50 is provided between the first nonmagnetic layer 31 and the first magnetic layer 10 in the Z-axis direction. The perpendicular magnetization component along the Z-axis direction of the magnetization 50m of the fifth magnetic layer 50 is larger than the in-plane magnetization component in the direction intersecting the Z-axis direction of the magnetization 50m of the fifth magnetic layer 50. The direction of the magnetization 50m of the fifth magnetic layer 50 is non-parallel to the main surface 50s. The direction of the magnetization 50m of the fifth magnetic layer 50 is substantially perpendicular to the main surface 50s of the fifth magnetic layer 50, for example. The fifth magnetic layer 50 is, for example, another reference layer. In the magnetic memory element 113, the reference layer includes the first magnetic layer 10 and the fifth magnetic layer 50. The reference layer has, for example, a two-layer structure. One of the first magnetic layer 10 and the fifth magnetic layer 50 may be removed. The direction of the magnetization 50m of the fifth magnetic layer 50 is relatively difficult to move as compared to the direction of the magnetization 20m of the second magnetic layer 20. The direction of the magnetization 50m of the fifth magnetic layer 50 is substantially fixed.

第1磁性層10の磁化10mの方向は、第1磁性層10から第2磁性層20に向かう方向でもよい。第1磁性層10の磁化10mの方向は、第2磁性層20から第1磁性層10に向かう方向でもよい。第1磁性層10の磁化方向は、第5磁性層50の磁化方向に同じ向きでもよく、逆向きでもよい。   The direction of the magnetization 10 m of the first magnetic layer 10 may be a direction from the first magnetic layer 10 toward the second magnetic layer 20. The direction of the magnetization 10 m of the first magnetic layer 10 may be a direction from the second magnetic layer 20 toward the first magnetic layer 10. The magnetization direction of the first magnetic layer 10 may be the same as or opposite to the magnetization direction of the fifth magnetic layer 50.

X軸方向において、第2非磁性層32は、第5磁性層50の少なくとも一部と重なる。第2非磁性層は、第5磁性層50と電気的に接続されている。第2非磁性層32は、例えば、第5磁性層50に接する。   In the X-axis direction, the second nonmagnetic layer 32 overlaps at least a part of the fifth magnetic layer 50. The second nonmagnetic layer is electrically connected to the fifth magnetic layer 50. For example, the second nonmagnetic layer 32 contacts the fifth magnetic layer 50.

例えば、X軸方向における第2非磁性層32(第1部分領域32aまたは第2部分領域32b)と第5磁性層50との間の距離は、X軸方向における第5磁性層50の長さ(厚さ)の半分以下であってもよい。図7には、単一の磁気記憶素子113が表示されている。後述するように(図24)、磁気記憶素子113は、例えば、X−Y平面内でアレイ状に配列されている。例えば、X軸方向における第2非磁性層32(第1部分領域32aまたは第2部分領域32b)と第5磁性層50との間の距離は、X軸方向において隣り合う磁気記憶素子113の間の距離の半分以下である。   For example, the distance between the second nonmagnetic layer 32 (the first partial region 32a or the second partial region 32b) and the fifth magnetic layer 50 in the X-axis direction is the length of the fifth magnetic layer 50 in the X-axis direction. It may be less than half of (thickness). In FIG. 7, a single magnetic memory element 113 is displayed. As will be described later (FIG. 24), the magnetic memory elements 113 are arranged in an array in the XY plane, for example. For example, the distance between the second nonmagnetic layer 32 (the first partial region 32a or the second partial region 32b) and the fifth magnetic layer 50 in the X axis direction is between the magnetic memory elements 113 adjacent in the X axis direction. Less than half of the distance.

磁気記憶素子113においては、第2磁性層20と第4磁性層40との交換結合力が調整可能となる。これにより、例えば、リテンション低減が抑制される。または、例えば、書き込み電流が低減する。または、例えば、隣接する磁気記憶素子への干渉が抑制される。   In the magnetic memory element 113, the exchange coupling force between the second magnetic layer 20 and the fourth magnetic layer 40 can be adjusted. Thereby, for example, retention reduction is suppressed. Or, for example, the write current is reduced. Alternatively, for example, interference with adjacent magnetic memory elements is suppressed.

磁気記憶素子113においては、第2磁性層20の飽和磁化が調整される。第4磁性層40の飽和磁化が調整される。これにより、例えば、リテンション低減が抑制される。または、例えば、書き込み電流が低減する。または、例えば、隣接する磁気記憶素子への干渉が抑制される。   In the magnetic memory element 113, the saturation magnetization of the second magnetic layer 20 is adjusted. The saturation magnetization of the fourth magnetic layer 40 is adjusted. Thereby, for example, retention reduction is suppressed. Or, for example, the write current is reduced. Alternatively, for example, interference with adjacent magnetic memory elements is suppressed.

磁気記憶素子113においては、第1磁性層10と第5磁性層50との交換結合力が調整される。これにより、例えば、リテンション低減が抑制される。例えば、隣接する磁気記憶素子への干渉が抑制される。   In the magnetic memory element 113, the exchange coupling force between the first magnetic layer 10 and the fifth magnetic layer 50 is adjusted. Thereby, for example, retention reduction is suppressed. For example, interference with adjacent magnetic memory elements is suppressed.

磁気記憶素子113においては、第1磁性層10の飽和磁化が調整される。第5磁性層50の飽和磁化が調整される。これにより、例えば、リテンション低減が抑制される。例えば、隣接する磁気記憶素子への干渉が抑制される。   In the magnetic memory element 113, the saturation magnetization of the first magnetic layer 10 is adjusted. The saturation magnetization of the fifth magnetic layer 50 is adjusted. Thereby, for example, retention reduction is suppressed. For example, interference with adjacent magnetic memory elements is suppressed.

X−Y平面で切断したときの第1磁性層10の断面積は、X−Y平面で切断したときの第2磁性層20の断面積よりも大きくてもよい。X−Y平面で切断したときの第1非磁性層31の断面積は、X−Y平面で切断したときの第2磁性層20の断面積よりも大きくてもよい。X−Y平面で切断したときの第8磁性層18の断面積は、X−Y平面で切断したときの第2磁性層20の断面積よりも大きくてもよい。   The cross-sectional area of the first magnetic layer 10 when cut along the XY plane may be larger than the cross-sectional area of the second magnetic layer 20 when cut along the XY plane. The cross-sectional area of the first nonmagnetic layer 31 when cut along the XY plane may be larger than the cross-sectional area of the second magnetic layer 20 when cut along the XY plane. The cross-sectional area of the eighth magnetic layer 18 when cut along the XY plane may be larger than the cross-sectional area of the second magnetic layer 20 when cut along the XY plane.

磁気記憶素子113においては、第3方向(Y軸方向)において第2磁性層20に並ぶ第3磁性層30が設けられてもよい。   In the magnetic memory element 113, the third magnetic layer 30 aligned with the second magnetic layer 20 in the third direction (Y-axis direction) may be provided.

図8は、第1の実施形態に係る別の磁気記憶素子を例示する模式的断面図である。
図8に示す磁気記憶素子114においては、第2非磁性層32は、第2方向(X軸方向)において、第5磁性層50の少なくとも一部と重なる。第2非磁性層は、第5磁性層50と電気的に接続されている。第2非磁性層32は、例えば、第5磁性層50に接する。
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view illustrating another magnetic memory element according to the first embodiment.
In the magnetic memory element 114 shown in FIG. 8, the second nonmagnetic layer 32 overlaps at least a part of the fifth magnetic layer 50 in the second direction (X-axis direction). The second nonmagnetic layer is electrically connected to the fifth magnetic layer 50. For example, the second nonmagnetic layer 32 contacts the fifth magnetic layer 50.

X−Y平面で切断したときの第8磁性層18の断面積は、X−Y平面で切断したときの第2磁性層20の断面積よりも大きい。第2非磁性層32は、X軸方向において、第8磁性層18と重なっていない。X−Y平面で切断したときの第1磁性層10の断面積は、X−Y平面で切断したときの第2磁性層20の断面積よりも大きくてもよい。   The cross-sectional area of the eighth magnetic layer 18 when cut along the XY plane is larger than the cross-sectional area of the second magnetic layer 20 when cut along the XY plane. The second nonmagnetic layer 32 does not overlap the eighth magnetic layer 18 in the X-axis direction. The cross-sectional area of the first magnetic layer 10 when cut along the XY plane may be larger than the cross-sectional area of the second magnetic layer 20 when cut along the XY plane.

磁気記憶素子114においては、X軸方向において第1磁性層10及び第8磁性層18と重なる絶縁膜を設けてもよい。   In the magnetic memory element 114, an insulating film that overlaps the first magnetic layer 10 and the eighth magnetic layer 18 in the X-axis direction may be provided.

磁気記憶素子114においては、第2非磁性層32はX軸方向において第1磁性層10の少なくとも一部に重なってもよい。第2非磁性層32は、X軸方向において第5磁性層50の少なくとも一部に重なってもよい。第2非磁性層32は、X軸方向において第1非磁性層31の少なくとも一部に重なってもよい。   In the magnetic memory element 114, the second nonmagnetic layer 32 may overlap at least part of the first magnetic layer 10 in the X-axis direction. The second nonmagnetic layer 32 may overlap at least part of the fifth magnetic layer 50 in the X-axis direction. The second nonmagnetic layer 32 may overlap at least part of the first nonmagnetic layer 31 in the X-axis direction.

第2非磁性層32は、X軸方向において第4磁性層40に重ならないほうが望ましい。第2非磁性層32は、X軸方向において第2磁性層20に重ならないほうが望ましい。   It is desirable that the second nonmagnetic layer 32 does not overlap the fourth magnetic layer 40 in the X-axis direction. It is desirable that the second nonmagnetic layer 32 does not overlap the second magnetic layer 20 in the X-axis direction.

図9は、第1の実施形態に係る別の磁気記憶素子を例示する模式的斜視図である。
図9に示す磁気記憶素子115においては、第3磁性層30は、第3方向(Y軸方向)において第2磁性層20と並ぶ。第1非磁性層31は、第3磁性層30と第1磁性層10との間に設けられた領域31aを含む。第1非磁性層31は、第1磁性層10及び第2非磁性層32の上に設けられている。
FIG. 9 is a schematic perspective view illustrating another magnetic memory element according to the first embodiment.
In the magnetic memory element 115 shown in FIG. 9, the third magnetic layer 30 is aligned with the second magnetic layer 20 in the third direction (Y-axis direction). The first nonmagnetic layer 31 includes a region 31 a provided between the third magnetic layer 30 and the first magnetic layer 10. The first nonmagnetic layer 31 is provided on the first magnetic layer 10 and the second nonmagnetic layer 32.

図10は、第1の実施形態に係る別の不揮発性記憶装置を例示する模式図である。
不揮発性記憶装置610は、磁気記憶素子110と、磁気記憶素子116と、制御部550と、第6非磁性層36と、を含む。磁気記憶素子116は、積層体SB0を含む。積層体SB0は、第1積層部SB1と、第2積層部SB2と、を含む。第1積層部SB1は、磁気記憶素子110を含む。第2積層部SB2は、磁気記憶素子116を含む。第1積層部SB1と第2積層部SB2との間には、第6非磁性層36が設けられる。
FIG. 10 is a schematic view illustrating another nonvolatile memory device according to the first embodiment.
The nonvolatile memory device 610 includes a magnetic memory element 110, a magnetic memory element 116, a control unit 550, and a sixth nonmagnetic layer 36. The magnetic memory element 116 includes a stacked body SB0. The stacked body SB0 includes a first stacked unit SB1 and a second stacked unit SB2. The first stacked unit SB1 includes the magnetic memory element 110. The second stacked unit SB2 includes a magnetic memory element 116. A sixth nonmagnetic layer 36 is provided between the first stacked unit SB1 and the second stacked unit SB2.

制御部550は、積層体SB0と電気的に接続される。制御部550は、積層体SB0に、電圧の印加及び電流の供給を行うことにより、積層体SB0の動作を制御する。図10には、第8磁性層18及び第5非磁性層35が表示されていない。磁気記憶素子116には、第8磁性層18及び第5非磁性層35を設けてもよい。   Control unit 550 is electrically connected to stacked body SB0. The control unit 550 controls the operation of the stacked body SB0 by applying voltage and supplying current to the stacked body SB0. In FIG. 10, the eighth magnetic layer 18 and the fifth nonmagnetic layer 35 are not displayed. The magnetic memory element 116 may be provided with the eighth magnetic layer 18 and the fifth nonmagnetic layer 35.

第2積層部SB2は、Z軸方向において第1積層部SB1と重なる。第2積層部SB2は、第6磁性層60を含む。第6磁性層60は、Z軸方向に第1積層部SB1と積層される。第6磁性層60の磁化の方向は、可変である。第6磁性層60の幅(Z軸方向に対して垂直な方向の長さ)は、例えば、35ナノメートル(nm)以下である。例えば、X−Y平面に投影したときの第6磁性層60の形状が円形である場合、その円の直径は、35nm以下である。例えば、第6磁性層60の面内方向(Z軸方向に対して垂直な方向)の最大の長さが、35nm以下である。第6磁性層60の厚さ(Z軸方向の長さ)は、例えば、0.5nm以上3.5nm以下である。   The second stacked unit SB2 overlaps the first stacked unit SB1 in the Z-axis direction. The second stacked unit SB2 includes a sixth magnetic layer 60. The sixth magnetic layer 60 is stacked with the first stacked unit SB1 in the Z-axis direction. The direction of magnetization of the sixth magnetic layer 60 is variable. The width of the sixth magnetic layer 60 (the length in the direction perpendicular to the Z-axis direction) is, for example, 35 nanometers (nm) or less. For example, when the shape of the sixth magnetic layer 60 when projected onto the XY plane is a circle, the diameter of the circle is 35 nm or less. For example, the maximum length in the in-plane direction (direction perpendicular to the Z-axis direction) of the sixth magnetic layer 60 is 35 nm or less. The thickness (length in the Z-axis direction) of the sixth magnetic layer 60 is, for example, not less than 0.5 nm and not more than 3.5 nm.

この例では、第2積層部SB2が、第7磁性層70と第4非磁性層34とをさらに含む。第7磁性層70は、第6磁性層60とZ軸方向において重なる。第7磁性層70の磁化70mのZ軸方向に沿った垂直磁化成分は、第7磁性層70の磁化70mのZ軸方向と交差する方向における面内磁化成分よりも大きい。第7磁性層70の磁化の向きは、例えば、第1磁性層10の磁化の向きに対して、逆向きである。第7磁性層70の磁化70mの方向は、第2磁性層20の磁化20mの方向に比べて、相対的に動き難い。第7磁性層70の磁化70mの方向は、実質的に固定されている。第4非磁性層34は、Z軸方向において、第7磁性層70と第6磁性層60と重なる。第4非磁性層34は、第7磁性層70と第6磁性層60との間に設けられる。第4非磁性層34は、例えば、第7磁性層70及び第6磁性層60に接する。   In this example, the second stacked unit SB2 further includes a seventh magnetic layer 70 and a fourth nonmagnetic layer 34. The seventh magnetic layer 70 overlaps the sixth magnetic layer 60 in the Z-axis direction. The perpendicular magnetization component along the Z-axis direction of the magnetization 70m of the seventh magnetic layer 70 is larger than the in-plane magnetization component in the direction intersecting the Z-axis direction of the magnetization 70m of the seventh magnetic layer 70. For example, the magnetization direction of the seventh magnetic layer 70 is opposite to the magnetization direction of the first magnetic layer 10. The direction of the magnetization 70m of the seventh magnetic layer 70 is relatively difficult to move as compared to the direction of the magnetization 20m of the second magnetic layer 20. The direction of the magnetization 70m of the seventh magnetic layer 70 is substantially fixed. The fourth nonmagnetic layer 34 overlaps the seventh magnetic layer 70 and the sixth magnetic layer 60 in the Z-axis direction. The fourth nonmagnetic layer 34 is provided between the seventh magnetic layer 70 and the sixth magnetic layer 60. For example, the fourth nonmagnetic layer 34 is in contact with the seventh magnetic layer 70 and the sixth magnetic layer 60.

この例では、積層体SB0が、第6非磁性層36をさらに含む。第6非磁性層36は、第1積層部SB1と第2積層部SB2との間に設けられる。この例では、第1磁性層10、第1非磁性層31、第2磁性層20、第6非磁性層36、第6磁性層60、第4非磁性層34及び第7磁性層70が、この順に積層される。X軸方向において、第2非磁性層32は、第1磁性層10の少なくとも一部に重なる。第6非磁性層36は、例えば、スピン消失層である。これにより、第6非磁性層36を流れる電子のスピン偏極度は、消失し易くなる。第6非磁性層36は、例えば、第1積層部SB1及び第2積層部SB2に接する。この例において、第6非磁性層36は、第2磁性層20及び第6磁性層60に接する。   In this example, the stacked body SB0 further includes a sixth nonmagnetic layer 36. The sixth nonmagnetic layer 36 is provided between the first stacked unit SB1 and the second stacked unit SB2. In this example, the first magnetic layer 10, the first nonmagnetic layer 31, the second magnetic layer 20, the sixth nonmagnetic layer 36, the sixth magnetic layer 60, the fourth nonmagnetic layer 34, and the seventh magnetic layer 70 are: They are stacked in this order. In the X-axis direction, the second nonmagnetic layer 32 overlaps at least part of the first magnetic layer 10. The sixth nonmagnetic layer 36 is, for example, a spin disappearance layer. Thereby, the spin polarization degree of the electrons flowing through the sixth nonmagnetic layer 36 is easily lost. For example, the sixth nonmagnetic layer 36 is in contact with the first stacked unit SB1 and the second stacked unit SB2. In this example, the sixth nonmagnetic layer 36 is in contact with the second magnetic layer 20 and the sixth magnetic layer 60.

この例では、磁気記憶素子110が第1導電層81を含み、磁気記憶素子116が第2導電層82を含む。第1積層部SB1は、第1導電層81と第2導電層82との間に配置される。第2積層部SB2は、第1積層部SB1と第2導電層82との間に配置される。第1導電層81は、第1積層部SB1と電気的に接続される。この例では、第1導電層81は、第1磁性層10と電気的に接続される。第2導電層82は、第2積層部SB2と電気的に接続される。この例では、第2導電層82は、第7磁性層70と電気的に接続される。   In this example, the magnetic memory element 110 includes a first conductive layer 81, and the magnetic memory element 116 includes a second conductive layer 82. The first stacked unit SB1 is disposed between the first conductive layer 81 and the second conductive layer 82. The second stacked unit SB2 is disposed between the first stacked unit SB1 and the second conductive layer 82. The first conductive layer 81 is electrically connected to the first stacked unit SB1. In this example, the first conductive layer 81 is electrically connected to the first magnetic layer 10. The second conductive layer 82 is electrically connected to the second stacked unit SB2. In this example, the second conductive layer 82 is electrically connected to the seventh magnetic layer 70.

第1導電層81及び第2導電層82は、制御部550と電気的に接続される。積層体SB0は、第1導電層81及び第2導電層82を介して制御部550と直接または間接に接続される。第1導電層81は、磁気記憶素子110とは別と見なしても良い。第2導電層82は、磁気記憶素子116とは別と見なしても良い。   The first conductive layer 81 and the second conductive layer 82 are electrically connected to the control unit 550. The stacked body SB0 is directly or indirectly connected to the control unit 550 through the first conductive layer 81 and the second conductive layer 82. The first conductive layer 81 may be regarded as separate from the magnetic memory element 110. The second conductive layer 82 may be regarded as separate from the magnetic memory element 116.

不揮発性記憶装置610は、例えば、第1配線91及び第2配線92をさらに含む(図25参照)。第1配線91は、例えば、第1導電層81と電気的に接続される。第2配線92は、例えば、第2導電層82と電気的に接続される。制御部550は、例えば、第1配線91及び第2配線92を介して積層体SB0と電気的に接続される。   The nonvolatile memory device 610 further includes, for example, a first wiring 91 and a second wiring 92 (see FIG. 25). For example, the first wiring 91 is electrically connected to the first conductive layer 81. The second wiring 92 is electrically connected to the second conductive layer 82, for example. The control unit 550 is electrically connected to the stacked body SB0 via, for example, the first wiring 91 and the second wiring 92.

以下では、積層体SB0(磁気記憶素子110及び磁気記憶素子116)の構成及び動作の例について説明する。以下の説明は、磁気記憶素子110及び磁気記憶素子116に加え、実施形態に係る、後述する他の磁気記憶素子にも適用できる。   Hereinafter, an example of the configuration and operation of the stacked body SB0 (the magnetic memory element 110 and the magnetic memory element 116) will be described. In addition to the magnetic memory element 110 and the magnetic memory element 116, the following description can be applied to other magnetic memory elements described later according to the embodiment.

積層体SB0においては、Z軸方向に第1積層部SB1及び第2積層部SB2に電流(書き込み電流)を流す。これにより、スピン偏極した電子が第2磁性層20に作用する。積層体SB0においては、第6磁性層60の磁化が歳差運動することにより発生する回転磁界を第2磁性層20に作用させる。これにより、第2磁性層20の磁化20mの方向が、電流の向きに応じた方向に決定される。   In the stacked body SB0, a current (write current) is passed through the first stacked unit SB1 and the second stacked unit SB2 in the Z-axis direction. Thereby, spin-polarized electrons act on the second magnetic layer 20. In the stacked body SB0, a rotating magnetic field generated by precessing the magnetization of the sixth magnetic layer 60 is applied to the second magnetic layer 20. Thereby, the direction of the magnetization 20m of the second magnetic layer 20 is determined as a direction corresponding to the direction of the current.

第1磁性層10は、例えば、第1の磁化固定層として機能する。第1磁性層10においては、例えば、磁化10mが膜面に対して略垂直方向に向いている。磁化10mは、第1磁性層10と第2磁性層20とを結ぶZ軸方向の成分を有する方向に向いている。第1磁性層10の磁化10mの方向は、例えば、Z軸方向に対して略平行である。   The first magnetic layer 10 functions as, for example, a first magnetization fixed layer. In the first magnetic layer 10, for example, the magnetization 10m is oriented in a direction substantially perpendicular to the film surface. The magnetization 10 m is directed in a direction having a component in the Z-axis direction that connects the first magnetic layer 10 and the second magnetic layer 20. The direction of the magnetization 10m of the first magnetic layer 10 is, for example, substantially parallel to the Z-axis direction.

第2磁性層20においては、例えば、磁化容易軸が膜面に対して略垂直方向である。例えば、第2磁性層20の磁化の方向は、膜面に対して略垂直方向である。第2磁性層20の磁化は、比較的容易に反転可能であり、Z軸方向に可変である。第2磁性層20は、データを記憶する役割をもつ。第2磁性層20は、例えば、磁気記憶層として機能する。   In the second magnetic layer 20, for example, the easy axis of magnetization is substantially perpendicular to the film surface. For example, the magnetization direction of the second magnetic layer 20 is substantially perpendicular to the film surface. The magnetization of the second magnetic layer 20 can be reversed relatively easily and is variable in the Z-axis direction. The second magnetic layer 20 has a role of storing data. For example, the second magnetic layer 20 functions as a magnetic storage layer.

第1非磁性層31は、第1のスペーサ層として機能する。第1非磁性層31が絶縁材料に基づくトンネルバリア層である場合に、第1磁性層10、第1非磁性層31及び第2磁性層20を含む第1積層部SB1は、例えば、MTJ(Magnetic Tunnel Junction)の構造を有する。   The first nonmagnetic layer 31 functions as a first spacer layer. When the first nonmagnetic layer 31 is a tunnel barrier layer based on an insulating material, the first stacked unit SB1 including the first magnetic layer 10, the first nonmagnetic layer 31, and the second magnetic layer 20 is, for example, MTJ ( Magnetic Tunnel Junction).

第6磁性層60においては、例えば、Z軸方向へ投影した磁化成分が、Z軸方向に対して垂直な方向へ投影した磁化成分よりも小さい。第6磁性層60の磁化容易軸は、膜面に対して略平行である。第6磁性層60の磁化は、Z軸方向に対して垂直な方向に可変である。第6磁性層60は、書き込み時に高周波磁場が発生する役割をもつ。第6磁性層60は、例えば、磁化回転層(発振層)として機能する。   In the sixth magnetic layer 60, for example, the magnetization component projected in the Z-axis direction is smaller than the magnetization component projected in the direction perpendicular to the Z-axis direction. The easy axis of magnetization of the sixth magnetic layer 60 is substantially parallel to the film surface. The magnetization of the sixth magnetic layer 60 is variable in a direction perpendicular to the Z-axis direction. The sixth magnetic layer 60 has a role of generating a high frequency magnetic field during writing. The sixth magnetic layer 60 functions as, for example, a magnetization rotation layer (oscillation layer).

第7磁性層70は、例えば、第2の磁化固定層として機能する。第7磁性層70の磁化70mの方向は、例えば、膜面に対して略垂直方向に向いている。第7磁性層70の磁化70mは、積層方向の成分を有する方向に向いている。第7磁性層70の磁化70mの方向は、膜面に対して略垂直方向である。第4非磁性層34は、第2のスペーサ層として機能する。   The seventh magnetic layer 70 functions as, for example, a second magnetization fixed layer. The direction of the magnetization 70m of the seventh magnetic layer 70 is, for example, substantially perpendicular to the film surface. The magnetization 70m of the seventh magnetic layer 70 is in a direction having a component in the stacking direction. The direction of the magnetization 70m of the seventh magnetic layer 70 is substantially perpendicular to the film surface. The fourth nonmagnetic layer 34 functions as a second spacer layer.

第1磁性層10、第2磁性層20及び第7磁性層70には、例えば、垂直磁化膜が用いられる。第6磁性層60には、例えば、面内磁化膜が用いられる。このような構造にすると、例えば、第6磁性層60からの漏れ磁場を利用することにより、磁気共鳴効果により第2磁性層20の磁化反転が容易になる。   For the first magnetic layer 10, the second magnetic layer 20, and the seventh magnetic layer 70, for example, a perpendicular magnetization film is used. For the sixth magnetic layer 60, for example, an in-plane magnetization film is used. With such a structure, for example, by utilizing the leakage magnetic field from the sixth magnetic layer 60, the magnetization reversal of the second magnetic layer 20 is facilitated by the magnetic resonance effect.

第2磁性層20の磁気共鳴周波数は、例えば、ダンピング測定法を利用して測定することができる。例えば、第1積層部SB1の一端と第2積層部SB2の一端とにプローブをあて、測定する。この場合、複数の磁気共鳴周波数が測定される可能性がある。例えば、質量分析やX線回折などを用いて、第2磁性層20の材料及び組成を求めることができる。その材料から推定できる共鳴周波数帯域と合致する周波数から、第2磁性層20の共鳴周波数を識別することができる。これにより、第1積層部SB1の特性If1を測定することができる。   The magnetic resonance frequency of the second magnetic layer 20 can be measured using, for example, a damping measurement method. For example, a probe is applied to one end of the first stacked unit SB1 and one end of the second stacked unit SB2, and measurement is performed. In this case, a plurality of magnetic resonance frequencies may be measured. For example, the material and composition of the second magnetic layer 20 can be obtained using mass spectrometry or X-ray diffraction. The resonance frequency of the second magnetic layer 20 can be identified from the frequency that matches the resonance frequency band that can be estimated from the material. Thereby, the characteristic If1 of the first stacked unit SB1 can be measured.

磁気共鳴周波数は、強磁気共鳴(FMR:Ferromagnetic Resonance)のスペクトルを測定することによっても求めることができる。
例えば、質量分析やX線回折などを用いて、第6磁性層60の材料及び組成などを求めることができる。これにより、例えば、第6磁性層60の発振特性を求めることができる。
The magnetic resonance frequency can also be obtained by measuring the spectrum of Ferromagnetic Resonance (FMR).
For example, the material and composition of the sixth magnetic layer 60 can be obtained by using mass spectrometry or X-ray diffraction. Thereby, for example, the oscillation characteristics of the sixth magnetic layer 60 can be obtained.

図11(a)及び図11(b)は、磁化を例示する模式図である。
図11(a)は、垂直磁化膜における磁化を例示している。図11(b)は、面内磁化膜における磁化を例示している。
図11(a)及び図11(b)に示すように、Z軸方向と交差する(例えば垂直な)1つの方向を面内方向SD2とする。面内方向SD2は、X−Y平面内の方向である。磁化72の面内磁化成分72bは、磁化72をX−Y平面に投影した成分である。面内磁化成分72bは、面内方向SD2に沿っている面内磁化成分72bは、面内方向SD2に対して平行である。磁化72の垂直磁化成分72aは、磁化72をZ軸方向に投影した成分である。垂直磁化成分72aは、Z軸方向に対して平行である。
FIG. 11A and FIG. 11B are schematic views illustrating magnetization.
FIG. 11A illustrates the magnetization in the perpendicular magnetization film. FIG. 11B illustrates the magnetization in the in-plane magnetization film.
As shown in FIGS. 11A and 11B, an in-plane direction SD2 is defined as one direction that intersects (eg, is perpendicular to) the Z-axis direction. The in-plane direction SD2 is a direction in the XY plane. The in-plane magnetization component 72b of the magnetization 72 is a component obtained by projecting the magnetization 72 onto the XY plane. The in-plane magnetization component 72b is in the in-plane direction SD2, and the in-plane magnetization component 72b is parallel to the in-plane direction SD2. The perpendicular magnetization component 72a of the magnetization 72 is a component obtained by projecting the magnetization 72 in the Z-axis direction. The perpendicular magnetization component 72a is parallel to the Z-axis direction.

図11(a)に示すように、垂直磁化膜においては、垂直磁化成分72aが、面内磁化成分72bよりも大きい磁化状態を有する。垂直磁化膜において、磁化の方向が膜面に対して略垂直であることが動作特性上望ましい。   As shown in FIG. 11A, in the perpendicular magnetization film, the perpendicular magnetization component 72a has a larger magnetization state than the in-plane magnetization component 72b. In the perpendicular magnetization film, it is desirable in terms of operation characteristics that the magnetization direction is substantially perpendicular to the film surface.

図11(b)に示すように、面内磁化膜においては、面内磁化成分72bが、垂直磁化成分72aよりも大きい磁化状態を有する。面内磁化膜において、磁化の方向が膜面に対して略平行であることが動作特性上望ましい。   As shown in FIG. 11B, in the in-plane magnetization film, the in-plane magnetization component 72b has a larger magnetization state than the perpendicular magnetization component 72a. In the in-plane magnetization film, it is desirable in terms of operating characteristics that the magnetization direction is substantially parallel to the film surface.

例えば、第1磁性層10の磁化10mのZ軸方向に沿った(例えば平行)な垂直磁化成分は、第1磁性層10の磁化10mのZ軸方向と交差する(例えば垂直な)面内磁化成分よりも大きい。第2磁性層20の磁化20mの垂直磁化成分は、第2磁性層20の磁化20mの面内磁化成分よりも大きい。第6磁性層60の磁化60mの垂直磁化成分は、第6磁性層60の磁化60mの面内磁化成分よりも小さい。   For example, the perpendicular magnetization component along (for example, parallel to) the Z axis direction of the magnetization 10 m of the first magnetic layer 10 intersects with (for example, perpendicular to) the in-plane magnetization of the magnetization 10 m of the first magnetic layer 10. Greater than ingredients. The perpendicular magnetization component of the magnetization 20 m of the second magnetic layer 20 is larger than the in-plane magnetization component of the magnetization 20 m of the second magnetic layer 20. The perpendicular magnetization component of the magnetization 60 m of the sixth magnetic layer 60 is smaller than the in-plane magnetization component of the magnetization 60 m of the sixth magnetic layer 60.

説明の便宜上、第1積層部SB1から第2積層部SB2に向かう方向を「上」または「上向き」と言う。第2積層部SB2から第1積層部SB1に向かう方向を「下」または「下向き」と言う。   For convenience of explanation, the direction from the first stacked unit SB1 to the second stacked unit SB2 is referred to as “up” or “upward”. The direction from the second stacked unit SB2 toward the first stacked unit SB1 is referred to as “down” or “downward”.

既に説明したように、第1磁性層10の磁化10mの方向は、実質的に固定される。第7磁性層70の磁化70mの方向は、実質的に固定されている。   As already described, the direction of the magnetization 10m of the first magnetic layer 10 is substantially fixed. The direction of the magnetization 70m of the seventh magnetic layer 70 is substantially fixed.

図10に示すように、積層体SB0において、第1磁性層10の磁化10mの方向は上向きであり、第7磁性層70の磁化70mの方向は下向きである。第1磁性層10の磁化10mのZ軸方向の成分の向きは、例えば、第7磁性層70の磁化70mのZ軸方向の成分の向きに対して逆である。第1磁性層10の磁化10mの方向及び第7磁性層70の磁化70mの方向は、種々の変形が可能である。例えば、第1磁性層10の磁化10mの方向及び第7磁性層70の磁化70mの方向の両方を上向きまたは下向きとしてもよいし、一方を上向きとし、他方を下向きとしてもよい。   As shown in FIG. 10, in the stacked body SB0, the direction of the magnetization 10m of the first magnetic layer 10 is upward, and the direction of the magnetization 70m of the seventh magnetic layer 70 is downward. The direction of the component in the Z-axis direction of the magnetization 10m of the first magnetic layer 10 is, for example, opposite to the direction of the component in the Z-axis direction of the magnetization 70m of the seventh magnetic layer 70. Various modifications can be made to the direction of the magnetization 10 m of the first magnetic layer 10 and the direction of the magnetization 70 m of the seventh magnetic layer 70. For example, both the direction of the magnetization 10m of the first magnetic layer 10 and the direction of the magnetization 70m of the seventh magnetic layer 70 may be upward or downward, or one may be upward and the other may be downward.

積層体SB0において、例えば、第1導電層81及び第2導電層82を介して、第1積層部SB1及び第2積層部SB2に電子電流を流すことができる。電子電流は電子の流れである。上向きに電流が流れるときには、電子電流は下向きに流れる。   In the stacked body SB0, for example, an electronic current can flow through the first stacked unit SB1 and the second stacked unit SB2 via the first conductive layer 81 and the second conductive layer 82. Electron current is the flow of electrons. When the current flows upward, the electron current flows downward.

膜面に対して垂直な方向に電子電流を流すと、磁界発生源の第6磁性層60における磁化60mが歳差運動する。これにより、回転磁界(高周波磁界)が発生する。高周波磁界の周波数は、例えば、約1GHz〜60GHzである。高周波磁界は、第2磁性層20の磁化20mに対して垂直方向の成分(第2磁性層20の磁化困難軸の方向の成分)を有する。第6磁性層60から発生した高周波磁界の少なくとも一部は、第2磁性層20の磁化困難軸の方向に印加される。第6磁性層60から発生した高周波磁界が、第2磁性層20の磁化困難軸の方向に印加されると、第2磁性層20の磁化20mが反転し易くなる。   When an electron current is passed in a direction perpendicular to the film surface, the magnetization 60m in the sixth magnetic layer 60 of the magnetic field source precesses. Thereby, a rotating magnetic field (high frequency magnetic field) is generated. The frequency of the high frequency magnetic field is, for example, about 1 GHz to 60 GHz. The high-frequency magnetic field has a component perpendicular to the magnetization 20m of the second magnetic layer 20 (component in the direction of the hard axis of the second magnetic layer 20). At least a part of the high-frequency magnetic field generated from the sixth magnetic layer 60 is applied in the direction of the hard axis of the second magnetic layer 20. When the high-frequency magnetic field generated from the sixth magnetic layer 60 is applied in the direction of the hard axis of the second magnetic layer 20, the magnetization 20m of the second magnetic layer 20 is easily reversed.

積層体SB0においては、電子電流を第1積層部SB1及び第2積層部SB2に流すことによって、第2磁性層20の磁化20mの方向を制御することができる。具体的には、電子電流の流れる向き(極性)を変えることで第2磁性層20の磁化20mの向きが反転する。情報を記憶する場合において、例えば、第2磁性層20の磁化20mの方向に応じて、「0」と「1」とがそれぞれ割り当てられる。積層体SB0は、第1状態、または、第1状態とは異なる第2状態、を有する。第1状態及び第2状態のそれぞれは、第2磁性層20の磁化20mの異なる2つの方向に対応している。   In the stacked body SB0, the direction of the magnetization 20m of the second magnetic layer 20 can be controlled by passing an electron current through the first stacked unit SB1 and the second stacked unit SB2. Specifically, the direction of the magnetization 20m of the second magnetic layer 20 is reversed by changing the direction (polarity) in which the electron current flows. In the case of storing information, for example, “0” and “1” are respectively assigned according to the direction of the magnetization 20 m of the second magnetic layer 20. The stacked body SB0 has a first state or a second state different from the first state. Each of the first state and the second state corresponds to two different directions of the magnetization 20m of the second magnetic layer 20.

前述のように、第6磁性層60の幅(直径)は、35nm以下であることが好ましい。第6磁性層60の幅が、35nmよりも大きくなると、例えば、第6磁性層60の磁化60mの歳差運動に伴って、ボルテックス(還流磁区)が発生する。第6磁性層60の断面形状の円相当直径を35nm以下とし、第6磁性層60の厚さを0.5nm以上3.5nm以下とすることで、例えば、ボルテックスの発生を抑制することができる。これにより、例えば、第6磁性層60から発生した高周波磁界を第2磁性層20の磁化反転により適切に作用させ、第2磁性層20の磁化反転をアシストすることができる。例えば、第2磁性層20の位置において、磁化20mが反転する十分な磁界強度を得ることができる。   As described above, the width (diameter) of the sixth magnetic layer 60 is preferably 35 nm or less. When the width of the sixth magnetic layer 60 is larger than 35 nm, for example, vortex (reflux magnetic domain) is generated with precession of the magnetization 60 m of the sixth magnetic layer 60. By setting the equivalent circle diameter of the cross-sectional shape of the sixth magnetic layer 60 to 35 nm or less and the thickness of the sixth magnetic layer 60 to 0.5 nm to 3.5 nm, for example, generation of vortex can be suppressed. . Thereby, for example, the high frequency magnetic field generated from the sixth magnetic layer 60 can be appropriately acted by the magnetization reversal of the second magnetic layer 20 to assist the magnetization reversal of the second magnetic layer 20. For example, a sufficient magnetic field strength at which the magnetization 20m is reversed can be obtained at the position of the second magnetic layer 20.

第6磁性層60の横断面形状(Z軸方向に対して垂直な平面で切断したときの断面形状)の円相当直径をR(nm)、「R」の半分の値をr(=R/2)(nm)、層厚をt(nm)とするとき、r<0.419t−2.86t+19.8の関係式を満たすサイズとすることが望ましい。 The equivalent circular diameter of the cross-sectional shape of the sixth magnetic layer 60 (cross-sectional shape when cut in a plane perpendicular to the Z-axis direction) is R (nm), and the half value of “R” is r (= R / 2) When (nm) and the layer thickness are t (nm), it is desirable that the size satisfy the relational expression r <0.419t 2 −2.86t + 19.8.

本願明細書において、「円相当直径」とは、対象とする平面形状の面積と同じ面積を有する円を想定し、その円の直径をいうものとする。例えば、第6磁性層60の横断面形状が円形の場合、「R」は直径を意味する。第6磁性層60の横断面形状が楕円の場合、「R」は、その楕円の面積と同じ面積を有する円の直径を意味する。第6磁性層60の横断面形状が多角形の場合、「R」は、その多角形の面積と同じ面積を有する円の直径を意味する。   In the specification of the present application, the “equivalent circle diameter” means a circle having the same area as the area of the target planar shape, and means the diameter of the circle. For example, when the cross-sectional shape of the sixth magnetic layer 60 is a circle, “R” means a diameter. When the cross-sectional shape of the sixth magnetic layer 60 is an ellipse, “R” means the diameter of a circle having the same area as the area of the ellipse. When the cross-sectional shape of the sixth magnetic layer 60 is a polygon, “R” means the diameter of a circle having the same area as the polygon.

実施形態に係る不揮発性記憶装置610によれば、誤動作を抑制した不揮発性記憶装置が提供できる。例えば、磁気記憶素子116の幅を35nm以下とした場合でも、双方向の書き込みにおいて第2磁性層20の磁化反転をアシストすることができる。これにより、例えば、書き込み時における誤動作が抑制される。書き込み時の電流(書き込み電流)の大きさを低減させることもできる。   According to the nonvolatile memory device 610 according to the embodiment, a nonvolatile memory device in which malfunctions are suppressed can be provided. For example, even when the width of the magnetic memory element 116 is set to 35 nm or less, the magnetization reversal of the second magnetic layer 20 can be assisted in bidirectional writing. Thereby, for example, malfunction during writing is suppressed. The magnitude of the current during writing (write current) can also be reduced.

積層体SB0においては、第2磁性層20の磁化と第6磁性層60の磁化とが静磁結合している。これにより、例えば、書き込み時の電流の大きさを低減させることができる。   In the stacked body SB0, the magnetization of the second magnetic layer 20 and the magnetization of the sixth magnetic layer 60 are magnetostatically coupled. Thereby, for example, the magnitude of current during writing can be reduced.

積層体SB0における動作の具体例として、まず「書き込み」動作の例について説明する。   As a specific example of the operation in the stacked body SB0, an example of a “write” operation will be described first.

図12(a)〜図12(d)及び図13(a)〜図13(d)は、第1の実施形態に係る不揮発性記憶装置の動作を例示する模式図である。
これらの図は、積層体SB0における「書き込み」動作の際の第1積層部SB1及び第2積層部SB2の状態を例示している。第2磁性層20の書き込み動作においては、第1磁性層10の膜面及び第2磁性層20の膜面を横切るように電子電流e1またはe2(書き込み電流)を流す。ここでは、第1非磁性層31を介した磁気抵抗効果が、ノーマルタイプである場合について説明する。
FIG. 12A to FIG. 12D and FIG. 13A to FIG. 13D are schematic views illustrating the operation of the nonvolatile memory device according to the first embodiment.
These drawings illustrate the state of the first stacked unit SB1 and the second stacked unit SB2 during the “write” operation in the stacked body SB0. In the write operation of the second magnetic layer 20, an electron current e <b> 1 or e <b> 2 (write current) is passed across the film surface of the first magnetic layer 10 and the film surface of the second magnetic layer 20. Here, a case where the magnetoresistive effect via the first nonmagnetic layer 31 is a normal type will be described.

「ノーマルタイプ」の磁気抵抗効果においては、非磁性層の両側の磁性層の磁化どうしが互いに平行である時の電気抵抗が、反平行である時の電気抵抗よりも低い。ノーマルタイプの場合、第1非磁性層31を介した第1磁性層10と第2磁性層20との間の電気抵抗は、第1磁性層10の磁化10mが第2磁性層20の磁化20mに対して平行である時には、反平行である時よりも低い。   In the “normal type” magnetoresistive effect, the electrical resistance when the magnetizations of the magnetic layers on both sides of the nonmagnetic layer are parallel to each other is lower than the electrical resistance when antiparallel. In the normal type, the electrical resistance between the first magnetic layer 10 and the second magnetic layer 20 via the first nonmagnetic layer 31 is such that the magnetization 10 m of the first magnetic layer 10 is the magnetization 20 m of the second magnetic layer 20. Is lower than when antiparallel.

図12(a)〜図12(d)は、第2磁性層20の磁化20mの向きが上向きから下向きに反転する場合を例示している。
図12(a)は、電子電流e1を流し始めた状態を例示している。図12(d)は、電子電流e1を流し終えた状態(磁化20mが反転した状態)を例示している。図12(b)及び図12(c)は、その途中の状態を例示している。
12A to 12D illustrate a case where the direction of the magnetization 20m of the second magnetic layer 20 is reversed from upward to downward.
FIG. 12A illustrates a state in which the electronic current e1 starts to flow. FIG. 12D illustrates a state in which the electron current e1 has been passed (a state in which the magnetization 20m is reversed). FIG.12 (b) and FIG.12 (c) have illustrated the state in the middle.

図12(a)に示すように、磁化20mの向きが上向きから下向きに反転する場合には、第2積層部SB2から第1積層部SB1に向けて電子電流e1を流す。例えば、下向きに電子電流e1を流す。   As shown in FIG. 12A, when the direction of the magnetization 20m is reversed from upward to downward, an electron current e1 is supplied from the second stacked unit SB2 toward the first stacked unit SB1. For example, the electronic current e1 is allowed to flow downward.

電子電流e1を下向きに流すと、第1非磁性層31を通過した電子のうちで、第1磁性層10の磁化10mと同じ向き(この例において上向き)のスピンをもった電子は、第1磁性層10を通過する。一方、第1磁性層10の磁化10mに対して、逆向き(この例において下向き)のスピンをもった電子は、第1磁性層10と第1非磁性層31との界面において反射される。この反射された電子のスピンの角運動量は、第2磁性層20へ伝達され、第2磁性層20の磁化20mに作用する。   When the electron current e1 is flowed downward, among the electrons that have passed through the first nonmagnetic layer 31, electrons having spins in the same direction as the magnetization 10m of the first magnetic layer 10 (upward in this example) Passes through the magnetic layer 10. On the other hand, electrons having spins in the opposite direction (downward in this example) with respect to the magnetization 10 m of the first magnetic layer 10 are reflected at the interface between the first magnetic layer 10 and the first nonmagnetic layer 31. The angular momentum of the spin of the reflected electrons is transmitted to the second magnetic layer 20 and acts on the magnetization 20m of the second magnetic layer 20.

図12(b)に示すように、第2積層部SB2に電子電流e1を流すと、第6磁性層60の磁化60mが歳差運動し、回転磁界が発生する。膜面に対して略垂直方向の磁化70mを有する第7磁性層70を通過した電子は、第7磁性層70の磁化70mと同じ方向のスピンを持つようになる。この電子が、第6磁性層60へ流れると、このスピンのもつ角運動量が第6磁性層60へ伝達される。これにより、第6磁性層60の磁化60mに作用する。これにより、第6磁性層60には、いわゆるスピントランスファトルクが働く。電子電流e1の供給によって、磁化60mが歳差運動する。第6磁性層60を通過した電子のスピン偏極度は、第6非磁性層36の通過によって消失される。   As shown in FIG. 12B, when an electron current e1 is passed through the second stacked unit SB2, the magnetization 60m of the sixth magnetic layer 60 precesses and a rotating magnetic field is generated. Electrons that have passed through the seventh magnetic layer 70 having a magnetization 70m in a direction substantially perpendicular to the film surface have spins in the same direction as the magnetization 70m of the seventh magnetic layer 70. When the electrons flow to the sixth magnetic layer 60, the angular momentum of the spin is transmitted to the sixth magnetic layer 60. This acts on the magnetization 60 m of the sixth magnetic layer 60. Thereby, so-called spin transfer torque acts on the sixth magnetic layer 60. By supplying the electron current e1, the magnetization 60m precesses. The spin polarization degree of the electrons that have passed through the sixth magnetic layer 60 is lost by the passage of the sixth nonmagnetic layer 36.

図12(c)に示すように、第6磁性層60の磁化60mが歳差運動すると、磁化20mの向きが、上向きから下向きに反転する。この動作では、第6磁性層60からの回転磁界の作用と第1磁性層10との界面で反射するスピン偏極した電子が利用される。第1磁性層10の磁化10mは、反転しない。   As shown in FIG. 12C, when the magnetization 60m of the sixth magnetic layer 60 precesses, the direction of the magnetization 20m is reversed from upward to downward. In this operation, spin-polarized electrons reflected at the interface between the action of the rotating magnetic field from the sixth magnetic layer 60 and the first magnetic layer 10 are used. The magnetization 10m of the first magnetic layer 10 is not reversed.

図12(d)に示すように、電子電流e1の供給を停止すると、磁化60mの歳差運動が停止する。これにより、磁化20mの向きが、上向きから下向きに反転した状態で保持される。この向きの磁化20mを有する第2磁性層20の状態に、例えば「0」を割り当てる。積層体SB0において、例えば、第2磁性層20の磁化20mの向きが下向きである状態が、第1状態に対応する。   As shown in FIG. 12D, when the supply of the electron current e1 is stopped, the precession of the magnetization 60m is stopped. Thereby, the direction of the magnetization 20m is held in a state where the direction is reversed from the upward direction to the downward direction. For example, “0” is assigned to the state of the second magnetic layer 20 having the magnetization 20 m in this direction. In the stacked body SB0, for example, a state in which the direction of the magnetization 20m of the second magnetic layer 20 is downward corresponds to the first state.

図13(a)〜図13(d)は、磁化20mの向きが下向きから上向きに反転する場合を例示している。
図13(a)は、電子電流e2を流し始めた状態を例示している。図13(d)は、電子電流e2を流し終えた状態(磁化20mが反転した状態)を例示している。図13(b)及び図13(c)は、その途中の状態を例示している。
FIG. 13A to FIG. 13D illustrate a case where the direction of the magnetization 20m is reversed from downward to upward.
FIG. 13A illustrates a state in which the electronic current e2 has started to flow. FIG. 13D illustrates a state where the electron current e2 has been passed (a state where the magnetization 20m is reversed). FIG. 13B and FIG. 13C illustrate a state in the middle.

図13(a)に示すように、磁化20mの向きを下向きから上向きに反転させる場合には、第1積層部SB1から第2積層部SB2に向けて電子電流e2を流す。例えば、上向きに電子電流e2を流す。   As shown in FIG. 13A, when the direction of the magnetization 20m is reversed from the downward direction to the upward direction, the electron current e2 flows from the first stacked unit SB1 to the second stacked unit SB2. For example, the electron current e2 is passed upward.

図13(b)に示すように、電子電流e2を流すと、第6磁性層60の磁化60mが歳差運動し、回転磁界が発生する。電子のスピンの角運動量は、第6磁性層60へ伝達され、第6磁性層60の磁化60mに作用する。これにより、磁化60mが歳差運動する。   As shown in FIG. 13B, when the electron current e2 is passed, the magnetization 60m of the sixth magnetic layer 60 precesses and a rotating magnetic field is generated. The angular momentum of the electron spin is transmitted to the sixth magnetic layer 60 and acts on the magnetization 60 m of the sixth magnetic layer 60. Thereby, the magnetization 60m precesses.

電子電流e2を上向きに流すと、第1磁性層10の磁化10mと同じ向き(この例において上向き)のスピンをもった電子は、第1磁性層10を通過し、第2磁性層20へ伝達される。これにより、上向きのスピンをもった電子の作用、及び、第6磁性層60からの回転磁界の作用が、磁化20mに働く。   When the electron current e2 flows upward, electrons having spins in the same direction as the magnetization 10m of the first magnetic layer 10 (upward in this example) pass through the first magnetic layer 10 and are transmitted to the second magnetic layer 20. Is done. Thereby, the action of electrons having upward spin and the action of the rotating magnetic field from the sixth magnetic layer 60 act on the magnetization 20m.

図13(c)に示すように、第2磁性層20の磁化20mの向きが、下向きから上向きに反転する。この動作では、スピン偏極した電子の作用、第6磁性層60からの回転磁界が利用される。第1磁性層10の磁化10mは、反転しない。   As shown in FIG. 13C, the direction of the magnetization 20m of the second magnetic layer 20 is reversed from downward to upward. In this operation, the action of spin-polarized electrons and the rotating magnetic field from the sixth magnetic layer 60 are used. The magnetization 10m of the first magnetic layer 10 is not reversed.

図13(d)に示すように、電子電流e2の供給を停止すると、磁化60mの歳差運動が停止する。これにより、磁化20mの向きが、下向きから上向きに反転した状態で保持される。この向きの磁化20mを有する第2磁性層20の状態に、例えば「1」を割り当てる。積層体SB0においては、例えば、第2磁性層20の磁化20mの向きが上向きである状態が、第2状態に対応する。   As shown in FIG. 13 (d), when the supply of the electron current e2 is stopped, the precession of magnetization 60m is stopped. Thereby, the direction of the magnetization 20m is maintained in a state where the direction is reversed from the downward direction to the upward direction. For example, “1” is assigned to the state of the second magnetic layer 20 having the magnetization 20 m in this direction. In the stacked body SB0, for example, the state in which the direction of the magnetization 20m of the second magnetic layer 20 is upward corresponds to the second state.

このような作用に基づいて、第2磁性層20の複数の状態のそれぞれに、「0」または「1」が適宜割り当てられる。これにより、積層体SB0における「書き込み」が実施される。   Based on such an action, “0” or “1” is appropriately assigned to each of the plurality of states of the second magnetic layer 20. Thereby, “writing” in the stacked body SB0 is performed.

磁気抵抗効果が「リバースタイプ」の場合は、第1非磁性層31を介した第1磁性層10と第2磁性層20との間の電気抵抗は、第1磁性層10の磁化10mが第2磁性層20の磁化20mに対して平行である時には、反平行である時よりも高い。リバースタイプにおける「書き込み」動作は、ノーマルタイプの場合と同様である。   When the magnetoresistive effect is “reverse type”, the electrical resistance between the first magnetic layer 10 and the second magnetic layer 20 via the first nonmagnetic layer 31 is such that the magnetization 10m of the first magnetic layer 10 is the first. When it is parallel to the magnetization 20m of the two magnetic layers 20, it is higher than when it is antiparallel. The “write” operation in the reverse type is the same as in the normal type.

この例においては、例えば、第1状態が「0」であり、第2状態が「1」である。第1状態を「1」とし、第2状態を「0」としてもよい。第1状態及び第2状態は、「0」または「1」に限ることなく、他の状態でもよい。積層体SB0に設けられる状態の数は、3つ以上でもよい。積層体SB0は、マルチビットの記憶素子でもよい。   In this example, for example, the first state is “0” and the second state is “1”. The first state may be “1” and the second state may be “0”. The first state and the second state are not limited to “0” or “1”, but may be other states. The number of states provided in the stacked body SB0 may be three or more. The stacked body SB0 may be a multi-bit storage element.

第1状態または第2状態の設定は、制御部550によって実施される。例えば、第1状態の設定が「書き込み」に対応し、第2状態の設定が「消去」に対応する。第2状態の設定が「書き込み」に対応し、第1状態の設定が「消去」に対応しても良い。   The setting of the first state or the second state is performed by the control unit 550. For example, the first state setting corresponds to “write”, and the second state setting corresponds to “erase”. The setting of the second state may correspond to “write”, and the setting of the first state may correspond to “erase”.

電子電流e1及びe2の供給は、例えば、制御部550によって行われる。制御部550は、書き込み動作のときに、例えば、10ナノ秒以上の電子電流e1及びe2を積層体SB0に供給する。これにより、例えば、電子電流e1及びe2の供給によって、磁化20mの向きが適切に反転する。高速に動作するメモリ用途の場合、1ナノ秒以上である。これにより、例えば、適切に磁化が反転しつつ、書き込み動作にかかる時間が抑えられる。   The supply of the electronic currents e1 and e2 is performed by the control unit 550, for example. The controller 550 supplies, for example, electron currents e1 and e2 of 10 nanoseconds or more to the stacked body SB0 during the write operation. Thereby, for example, the direction of the magnetization 20m is appropriately reversed by supplying the electron currents e1 and e2. For memory applications that operate at high speed, it is 1 nanosecond or more. Thereby, for example, the time required for the write operation can be suppressed while the magnetization is appropriately reversed.

次に、「読み出し」動作の例について説明する。
積層体SB0における第2磁性層20の磁化20mの方向の検出は、例えば、磁気抵抗効果を利用して実施される。磁気抵抗効果においては、各層の磁化の相対的な向きにより電気抵抗が変わる。磁気抵抗効果を利用する場合、例えば、第1磁性層10と第2磁性層20との間にセンス電流を流し、磁気抵抗が測定される。センス電流の電流値は、書き込み時(記憶時)に流す電子電流e1及びe2に対応する電流値よりも小さい。
Next, an example of a “read” operation will be described.
The detection of the direction of the magnetization 20m of the second magnetic layer 20 in the stacked body SB0 is performed using, for example, the magnetoresistance effect. In the magnetoresistive effect, the electrical resistance changes depending on the relative direction of magnetization of each layer. When the magnetoresistive effect is used, for example, a sense current is passed between the first magnetic layer 10 and the second magnetic layer 20, and the magnetoresistance is measured. The current value of the sense current is smaller than the current value corresponding to the electron currents e1 and e2 that flow when writing (memory).

図14(a)及び図14(b)は、第1の実施形態に係る不揮発性記憶装置の動作を例示する模式図である。
これらの図は、積層体SB0における「読み出し」動作の際の第1積層部SB1の状態を例示している。これらの図では、第2積層部SB2、第1導電層81、第2導電層82及び第6非磁性層36は省略されている。
FIG. 14A and FIG. 14B are schematic views illustrating the operation of the nonvolatile memory device according to the first embodiment.
These drawings illustrate the state of the first stacked unit SB1 during the “read” operation in the stacked body SB0. In these drawings, the second stacked unit SB2, the first conductive layer 81, the second conductive layer 82, and the sixth nonmagnetic layer 36 are omitted.

図14(a)は、第1磁性層10の磁化10mの方向が、第2磁性層20の磁化20mの方向と同じ場合を例示している。図14(b)は、第1磁性層10の磁化10mの方向が、第2磁性層20の磁化20mの方向と反平行(逆向き)である場合を例示している。   FIG. 14A illustrates a case where the direction of the magnetization 10 m of the first magnetic layer 10 is the same as the direction of the magnetization 20 m of the second magnetic layer 20. FIG. 14B illustrates a case where the direction of the magnetization 10 m of the first magnetic layer 10 is antiparallel (reverse) to the direction of the magnetization 20 m of the second magnetic layer 20.

図14(a)及び図14(b)に示すように、第1積層部SB1にセンス電流e3を流し、電気抵抗を検出する。
ノーマルタイプの磁気抵抗効果においては、図14(a)の状態の抵抗は、図14(b)の状態の抵抗よりも低い。リバースタイプの磁気抵抗効果においては、図14(a)の状態の抵抗は、図14(b)の状態の抵抗よりも高い。
As shown in FIGS. 14A and 14B, a sense current e3 is supplied to the first stacked unit SB1 to detect an electrical resistance.
In the normal type magnetoresistance effect, the resistance in the state of FIG. 14A is lower than the resistance in the state of FIG. In the reverse type magnetoresistive effect, the resistance in the state of FIG. 14A is higher than the resistance in the state of FIG.

これらの抵抗が互いに複数の状態のそれぞれに、それぞれ「0」と「1」とを対応づけることにより、2値データの記憶の読み出しが可能となる。センス電流e3の向きは、図14(a)及び図14(b)に例示した方向に対して逆向きでも良い。   By associating “0” and “1” with each of these resistances in a plurality of states, binary data storage can be read out. The direction of the sense current e3 may be opposite to the direction illustrated in FIGS. 14 (a) and 14 (b).

センス電流e3の供給は、例えば、制御部550によって行われる。制御部550は、読み出し動作のときに、例えば、10ナノ秒未満のセンス電流e3を積層体SB0に供給する。これにより、例えば、センス電流e3の供給による磁化20mの向きの反転が抑えられる。より好ましくは、5ナノ秒以下である。これにより、センス電流e3の供給による磁化の反転がより適切に抑えられる。   The supply of the sense current e3 is performed by the control unit 550, for example. For example, the control unit 550 supplies a sense current e3 of less than 10 nanoseconds to the stacked body SB0 during a read operation. Thereby, for example, reversal of the direction of the magnetization 20m due to the supply of the sense current e3 is suppressed. More preferably, it is 5 nanoseconds or less. Thereby, the reversal of magnetization due to the supply of the sense current e3 is more appropriately suppressed.

このように、制御部550は、「書き込み」のときに積層体SB0に電流を供給する時間を、「読み出し」のときに積層体SB0に電流を供給する時間よりも長くする。制御部550は、例えば、「書き込み」のときに第1時間の電流を積層体SB0に供給し、「読み出し」のときに第2時間の電流を積層体SB0に供給する。このとき、第1時間は、第2時間よりも長い。これにより、例えば、安定した「書き込み」の動作と、安定した「読み出し」の動作と、を得ることができる。   In this way, the control unit 550 sets the time for supplying current to the stacked body SB0 during “writing” longer than the time for supplying current to the stacked body SB0 during “reading”. For example, the control unit 550 supplies a current for the first time to the stacked body SB0 at “write”, and supplies a current for the second time to the stacked body SB0 at “read”. At this time, the first time is longer than the second time. Thereby, for example, a stable “write” operation and a stable “read” operation can be obtained.

DRAM相当のメモリ動作としては、10ナノ秒〜30ナノ秒での書き込み電流が想定される。一方、キャッシュメモリ相当の用途としては、1ナノ秒〜3ナノ秒での書き込み電流が想定される。   As a memory operation equivalent to a DRAM, a write current in 10 nanoseconds to 30 nanoseconds is assumed. On the other hand, a write current in 1 nanosecond to 3 nanoseconds is assumed as an application corresponding to a cache memory.

書き込み時間(第1時間)は、例えば、10ナノ秒以上であり、読み出し時間(第2時間)は、それ未満である。3ナノ秒以下の磁化反転では、磁化が熱の影響(熱によるアシスト効果)を受け難くなるため、反転のための電流が上昇し始める。1ナノ秒の近傍は、dynamic領域といい、磁化が熱の影響を受けないため、反転に要する電流がさらに大きくなる。   The writing time (first time) is, for example, 10 nanoseconds or more, and the reading time (second time) is less than that. In the magnetization reversal of 3 nanoseconds or less, the magnetization becomes difficult to receive the influence of heat (assist effect by heat), so that the current for reversal starts to increase. The vicinity of 1 nanosecond is called a dynamic region, and since the magnetization is not affected by heat, the current required for reversal is further increased.

例えば、10ナノ秒以上で書き込みをし、3ナノ秒以下で読み出しをする。1ナノ秒以上3ナノ秒以下で書き込みをする場合には、書き込みより小さい電流値で、3ナノ秒以下で読み出しをすることで、誤書き込み率をさらに低くすることができる。   For example, writing is performed in 10 nanoseconds or more, and reading is performed in 3 nanoseconds or less. In the case of writing within 1 nanosecond or more and 3 nanoseconds or less, the erroneous writing rate can be further reduced by reading out under 3 nanoseconds or less with a current value smaller than the writing.

上記のように、積層体SB0において、第2積層部SB2は、磁界発生源として機能する。第1積層部SB1は、磁気記憶部として機能する。以下、第2積層部SB2を、磁界発生源、または、STO(Spin Torque Oscillator)と言う場合がある。一方、第1積層部SB1を、磁気記憶部、または、MTJと言う場合がある。   As described above, in the stacked body SB0, the second stacked unit SB2 functions as a magnetic field generation source. The first stacked unit SB1 functions as a magnetic storage unit. Hereinafter, the second stacked unit SB2 may be referred to as a magnetic field generation source or STO (Spin Torque Oscillator). On the other hand, the first stacked unit SB1 may be referred to as a magnetic storage unit or MTJ.

上記のように、MTJ素子の記憶層である第2磁性層20への書き込みが、例えば、スピントルク書き込み方式により行われる。このような積層体SB0において、例えば、高記憶密度化の要請から積層体SB0の幅を35nm以下とすることが望まれている。積層体SB0の幅とは、例えば、積層体SB0のX軸方向またはY軸方向の長さである。磁気記憶素子110のX−Y平面に投影した形状が、円形または楕円形である場合、積層体SB0の幅とは、積層体SB0の直径(長径)である。   As described above, writing to the second magnetic layer 20 that is a storage layer of the MTJ element is performed by, for example, a spin torque writing method. In such a stacked body SB0, for example, it is desired that the width of the stacked body SB0 be 35 nm or less because of a demand for higher storage density. The width of the stacked body SB0 is, for example, the length of the stacked body SB0 in the X-axis direction or the Y-axis direction. When the shape projected on the XY plane of the magnetic memory element 110 is a circle or an ellipse, the width of the stacked body SB0 is the diameter (major axis) of the stacked body SB0.

積層体SB0においては、Z軸方向に対し直交する方向において第2非磁性層32が第1磁性層10に重なる。これにより、第1磁性層10の実効的なダンピング定数が上昇する。これにより、積層体SB0においては、書き込み時に第1磁性層10の磁化の揺らぎが抑制され、書き込み時の電流増加が抑制される。   In the stacked body SB0, the second nonmagnetic layer 32 overlaps the first magnetic layer 10 in a direction orthogonal to the Z-axis direction. As a result, the effective damping constant of the first magnetic layer 10 increases. Thereby, in the stacked body SB0, the fluctuation of the magnetization of the first magnetic layer 10 is suppressed during writing, and an increase in current during writing is suppressed.

以下、磁気記憶素子110、磁気記憶素子111、磁気記憶素子112、磁気記憶素子113、磁気記憶素子114、磁気記憶素子115及び磁気記憶素子116の構成について説明する。以下の説明は、実施形態に係る任意の磁気記憶素子に適用できる。各層の材料において、組成比を変えても良い。   Hereinafter, the configurations of the magnetic memory element 110, the magnetic memory element 111, the magnetic memory element 112, the magnetic memory element 113, the magnetic memory element 114, the magnetic memory element 115, and the magnetic memory element 116 will be described. The following description is applicable to any magnetic memory element according to the embodiment. The composition ratio may be changed in the material of each layer.

第1磁性層10、第7磁性層70及び第8磁性層18には、例えば、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)及びクロム(Cr)よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む金属材料を用いることが好ましい。さらに、上記の群から選択された少なくともいずれかと、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、イリジウム(Ir)、ルテニウム(Ru)及びロジウム(Rh)よりなる群から選択された少なくともいずれかの金属を含む合金を用いることができる。   The first magnetic layer 10, the seventh magnetic layer 70, and the eighth magnetic layer 18 are, for example, from the group consisting of iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), manganese (Mn), and chromium (Cr). It is preferable to use a metal material containing at least one selected element. Furthermore, at least one selected from the above group and at least one metal selected from the group consisting of platinum (Pt), palladium (Pd), iridium (Ir), ruthenium (Ru), and rhodium (Rh). Including alloys can be used.

第1磁性層10、第7磁性層70及び第8磁性層18において、含まれる磁性材料の組成や熱処理の条件などを調整する。これにより、例えば、磁化量や磁気異方性などの特性を調整することができる。第1磁性層10、第7磁性層70及び第8磁性層18には、例えば、TbFeCo及びGdFeCoなどの希土類−遷移金属のアモルファス合金を用いることができる。第1磁性層10、第7磁性層70及び第8磁性層18には、例えば、Co/Pt、Co/Pd及びCo/Niなどの積層構造を用いてもよい。第1磁性層10、第7磁性層70及び第8磁性層18には、Fe/PtやFe/Pdなどの合金や積層構造を用いても良い。Co/Ru、Fe/Au、及びNi/Cu等は、下地層との組み合わせで垂直磁化膜となる。第1磁性層10、第7磁性層70及び第8磁性層18においては、膜の結晶配向方向を制御することで、Co/Ru、Fe/Au、または、Ni/Cu等を用いることができる。第1磁性層10、第7磁性層70及び第8磁性層18には、ガリウム(Ga)、アルミニウム(Al)、ゲルマニウム(Ge)、窒素(N)、リン(P)、砒素(As)、ボロン(B)、及びシリコン(Si)などの添加物を含んでもよい。例えば、第1磁性層10、第7磁性層70及び第8磁性層18には、MnGa、MnGeなどを用いても良い。xとyとは、組成比を変えても良い。 In the first magnetic layer 10, the seventh magnetic layer 70, and the eighth magnetic layer 18, the composition of the magnetic material contained, the conditions for the heat treatment, and the like are adjusted. Thereby, for example, characteristics such as the amount of magnetization and magnetic anisotropy can be adjusted. For the first magnetic layer 10, the seventh magnetic layer 70, and the eighth magnetic layer 18, for example, a rare earth-transition metal amorphous alloy such as TbFeCo and GdFeCo can be used. For the first magnetic layer 10, the seventh magnetic layer 70, and the eighth magnetic layer 18, for example, a laminated structure such as Co / Pt, Co / Pd, and Co / Ni may be used. For the first magnetic layer 10, the seventh magnetic layer 70, and the eighth magnetic layer 18, an alloy such as Fe / Pt or Fe / Pd or a laminated structure may be used. Co / Ru, Fe / Au, Ni / Cu, etc. become a perpendicular magnetization film in combination with the underlayer. In the first magnetic layer 10, the seventh magnetic layer 70, and the eighth magnetic layer 18, Co / Ru, Fe / Au, Ni / Cu, or the like can be used by controlling the crystal orientation direction of the film. . The first magnetic layer 10, the seventh magnetic layer 70, and the eighth magnetic layer 18 include gallium (Ga), aluminum (Al), germanium (Ge), nitrogen (N), phosphorus (P), arsenic (As), An additive such as boron (B) and silicon (Si) may be included. For example, Mn x Ga y , Mn x Ge y, or the like may be used for the first magnetic layer 10, the seventh magnetic layer 70, and the eighth magnetic layer 18. The composition ratio of x and y may be changed.

第5磁性層50には、例えば、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)及びクロム(Cr)よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む金属材料を用いることができる。第5磁性層50には、上記の群から選択された少なくともいずれかと、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、イリジウム(Ir)、ルテニウム(Ru)及びロジウム(Rh)よりなる群から選択された少なくともいずれかの金属を含む合金を用いることができる。   For example, the fifth magnetic layer 50 includes a metal material containing at least one element selected from the group consisting of iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), manganese (Mn), and chromium (Cr). Can be used. The fifth magnetic layer 50 is selected from the group consisting of at least one selected from the above group and platinum (Pt), palladium (Pd), iridium (Ir), ruthenium (Ru), and rhodium (Rh). An alloy containing at least one of the metals can be used.

第5磁性層50において、含まれる磁性材料の組成や熱処理の条件などを調整する。例えば、磁化量や磁気異方性などの特性を調整することができる。例えば、第5磁性層50には、TbFeCo及びGdFeCoなどの希土類−遷移金属のアモルファス合金を用いることができる。例えば、第5磁性層50には、Co/Pt、Co/Pd及びCo/Niなどの積層構造を用いてもよい。第5磁性層50には、Fe/Pt、Fe/Pdなどの合金や積層構造を用いても良い。Co/Ru、Fe/Au、及び、Ni/Cu等は、下地層との組み合わせで垂直磁化膜となる。第5磁性層50においては、膜の結晶配向方向を制御することで、Co/Ru、Fe/Au、または、Ni/Cu等を用いることができる。第5磁性層50においては、ガリウム(Ga)、アルミニウム(Al)、ゲルマニウム(Ge)、窒素(N)、リン(P)、砒素(As)、ボロン(B)、及び、
シリコン(Si)などの添加物を含んでもよい。例えば、第5磁性層50には、CoFe、CoFeB、MnGa、MnGeなどを用いても良い。各種の組成比は、適宜変えても良い。
In the fifth magnetic layer 50, the composition of the magnetic material contained, conditions for heat treatment, and the like are adjusted. For example, characteristics such as the amount of magnetization and magnetic anisotropy can be adjusted. For example, a rare earth-transition metal amorphous alloy such as TbFeCo and GdFeCo can be used for the fifth magnetic layer 50. For example, the fifth magnetic layer 50 may have a stacked structure such as Co / Pt, Co / Pd, and Co / Ni. For the fifth magnetic layer 50, an alloy such as Fe / Pt or Fe / Pd or a laminated structure may be used. Co / Ru, Fe / Au, Ni / Cu, etc. become a perpendicular magnetization film in combination with the underlayer. In the fifth magnetic layer 50, Co / Ru, Fe / Au, Ni / Cu, or the like can be used by controlling the crystal orientation direction of the film. In the fifth magnetic layer 50, gallium (Ga), aluminum (Al), germanium (Ge), nitrogen (N), phosphorus (P), arsenic (As), boron (B), and
An additive such as silicon (Si) may be included. For example, the fifth magnetic layer 50 may be made of CoFe, CoFeB, MnGa, MnGe, or the like. Various composition ratios may be appropriately changed.

第5磁性層50には、例えば、ホイスラー合金を用いてもよい。ホイスラー合金は、例えば、L2構造を有し、XYZの様な組成を有する合金である。例えば、Co、Mn、Fe、Ni、Cu、Rh、Ru及びPdの少なくともいずれか1つを含むホイスラー合金を含む。 For the fifth magnetic layer 50, for example, a Heusler alloy may be used. The Heusler alloy is, for example, an alloy having an L2 1 structure and a composition such as X 2 YZ. For example, a Heusler alloy containing at least one of Co, Mn, Fe, Ni, Cu, Rh, Ru, and Pd is included.

例えば、第5磁性層50は、第1ホイスラー合金を含む。第1ホイスラー合金は、CoFeSi、CoFeAl、CoFeGa、CoMnGe、CoMnSn、CoMnSi、CoMnGa、CoMnAl、CoMnSb、CoCrGa、NiMnIn、NiMnGa、NiMnSn、NiMnSb、NiFeGa、PdMnSb、PdMnSn、CuMnAl、CuMnSn、CuMnIn、RhMnGe、RhMnPb、RhMnSn、PdMnGe、RhFeSn、RuFeSn、及びRhFeSbの少なくともいずれか1つを含む。 For example, the fifth magnetic layer 50 includes a first Heusler alloy. The first Heusler alloy, Co 2 FeSi, Co 2 FeAl , Co 2 FeGa, Co 2 MnGe, Co 2 MnSn, Co 2 MnSi, Co 2 MnGa, Co 2 MnAl, Co 2 MnSb, Co 2 CrGa, Ni 2 MnIn, Ni 2 MnGa, Ni 2 MnSn, Ni 2 MnSb, Ni 2 FeGa, Pd 2 MnSb, Pd 2 MnSn, Cu 2 MnAl, Cu 2 MnSn, Cu 2 MnIn, Rh 2 MnGe, Rh 2 MnPb, Rh 2 MnSn, Pd 2 It contains at least one of MnGe, Rh 2 FeSn, Ru 2 FeSn, and Rh 2 FeSb.

第5磁性層50に上記の第1ホイスラー合金を用いることで、例えば、第5磁性層50の飽和磁化Msを大きくすることができる。これにより、第5磁性層50と第2磁性層20とが強磁性結合、反強磁性結合、または静磁結合すると、磁気共鳴周波数を低減することができ、磁気共鳴効果が生じやすくなる。第5磁性層50と第3磁性層30とが強磁性結合、反強磁性結合、または静磁結合すると、磁気共鳴周波数を低減することができ、磁気共鳴効果が生じやすくなる。   By using the first Heusler alloy for the fifth magnetic layer 50, for example, the saturation magnetization Ms of the fifth magnetic layer 50 can be increased. Thus, when the fifth magnetic layer 50 and the second magnetic layer 20 are ferromagnetically coupled, antiferromagnetically coupled, or magnetostatically coupled, the magnetic resonance frequency can be reduced and the magnetic resonance effect is likely to occur. When the fifth magnetic layer 50 and the third magnetic layer 30 are ferromagnetically coupled, antiferromagnetically coupled, or magnetostatically coupled, the magnetic resonance frequency can be reduced and the magnetic resonance effect is likely to occur.

例えば、第5磁性層50は、第2ホイスラー合金を含んでもよい。第2ホイスラー合金は、CoHfSn、CoZrSn、CoHfAl、CoZrAl、CoHfGa、CoTiSi、CoTiGe、CoTiSn、CoTiGa、CoTiAl、CoVGa、CoVAl、CoTaAl、CoNbGa、CoNbAl、CoVSn、CoNbSn、CoCrAl、RhNiSn、RhNiGe、MnWSn、FeMnSi、及びFeMnAlの少なくともいずれか1つを含む。 For example, the fifth magnetic layer 50 may include a second Heusler alloy. The second Heusler alloy is Co 2 HfSn, Co 2 ZrSn, Co 2 HfAl, Co 2 ZrAl, Co 2 HfGa, Co 2 TiSi, Co 2 TiGe, Co 2 TiSn, Co 2 TiGa, Co 2 TiAl, Co 2 VGa, At least of Co 2 VAl, Co 2 TaAl, Co 2 NbGa, Co 2 NbAl, Co 2 VSn, Co 2 NbSn, Co 2 CrAl, Rh 2 NiSn, Rh 2 NiGe, Mn 2 WSn, Fe 2 MnSi, and Fe 2 MnAl Including any one.

上記の第2ホイスラー合金は、比較的に飽和磁化Msが小さい。例えば、第2ホイスラー合金において、Ms<400emu/ccとすることができる。これにより、例えば、隣接する磁気記憶素子への漏洩磁界を低減することができる。   The second Heusler alloy has a relatively small saturation magnetization Ms. For example, in the second Heusler alloy, Ms <400 emu / cc. Thereby, for example, the leakage magnetic field to the adjacent magnetic memory element can be reduced.

第2磁性層20、第3磁性層30及び第4磁性層40においては、例えば、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)及びクロム(Cr)よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む金属材料を用いることができる。第2磁性層20、第3磁性層30及び第4磁性層40においては、上記の群から選択された少なくともいずれかと、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、イリジウム(Ir)、ルテニウム(Ru)及びロジウム(Rh)よりなる群から選択された少なくともいずれかの金属を含む合金を用いることができる。   In the second magnetic layer 20, the third magnetic layer 30, and the fourth magnetic layer 40, for example, from the group consisting of iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), manganese (Mn), and chromium (Cr). A metal material containing at least one selected element can be used. In the second magnetic layer 20, the third magnetic layer 30, and the fourth magnetic layer 40, at least one selected from the above group, platinum (Pt), palladium (Pd), iridium (Ir), ruthenium (Ru) And an alloy containing at least one metal selected from the group consisting of rhodium (Rh) can be used.

第2磁性層20、第3磁性層30及び第4磁性層40においては、含まれる磁性材料の組成や熱処理の条件などを調整する。例えば、第2磁性層20、第3磁性層30及び第4磁性層40においては、磁化量や磁気異方性などの特性を調整することができる。例えば、第2磁性層20、第3磁性層30及び第4磁性層40においては、TbFeCo及びGdFeCoなどの希土類−遷移金属のアモルファス合金を用いることができる。例えば、第2磁性層20、第3磁性層30及び第4磁性層40においては、Co/Pt、Co/Pd及びCo/Niなどの積層構造を用いてもよい。第2磁性層20、第3磁性層30及び第4磁性層40においては、Fe/Pt、Fe/Pdなどの合金や積層構造を用いても良い。Co/Ru、Fe/Au、及び、Ni/Cu等は、下地層との組み合わせで垂直磁化膜となる。第2磁性層20、第3磁性層30及び第4磁性層40において、膜の結晶配向方向を制御することで、Co/Ru、Fe/Au、または、Ni/Cu等を用いることができる。第2磁性層20、第3磁性層30及び第4磁性層40においては、ガリウム(Ga)、アルミニウム(Al)、ゲルマニウム(Ge)、窒素(N)、リン(P)、砒素(As)、ボロン(B)、及びシリコン(Si)などの添加物を含んでもよい。例えば、第2磁性層20、第3磁性層30及び第4磁性層40においては、CoFe、CoFeB、MnGa、MnGeなどを用いても良い。各種の組成比は適宜変えても良い。   In the second magnetic layer 20, the third magnetic layer 30, and the fourth magnetic layer 40, the composition of the magnetic material contained, the heat treatment conditions, and the like are adjusted. For example, in the second magnetic layer 20, the third magnetic layer 30, and the fourth magnetic layer 40, characteristics such as the amount of magnetization and magnetic anisotropy can be adjusted. For example, in the second magnetic layer 20, the third magnetic layer 30, and the fourth magnetic layer 40, a rare earth-transition metal amorphous alloy such as TbFeCo and GdFeCo can be used. For example, the second magnetic layer 20, the third magnetic layer 30, and the fourth magnetic layer 40 may have a stacked structure such as Co / Pt, Co / Pd, and Co / Ni. In the second magnetic layer 20, the third magnetic layer 30, and the fourth magnetic layer 40, an alloy such as Fe / Pt or Fe / Pd or a laminated structure may be used. Co / Ru, Fe / Au, Ni / Cu, etc. become a perpendicular magnetization film in combination with the underlayer. In the second magnetic layer 20, the third magnetic layer 30, and the fourth magnetic layer 40, Co / Ru, Fe / Au, Ni / Cu, or the like can be used by controlling the crystal orientation direction of the film. In the second magnetic layer 20, the third magnetic layer 30, and the fourth magnetic layer 40, gallium (Ga), aluminum (Al), germanium (Ge), nitrogen (N), phosphorus (P), arsenic (As), An additive such as boron (B) and silicon (Si) may be included. For example, in the second magnetic layer 20, the third magnetic layer 30, and the fourth magnetic layer 40, CoFe, CoFeB, MnGa, MnGe, or the like may be used. Various composition ratios may be changed as appropriate.

第2磁性層20、第3磁性層30及び第4磁性層40には、例えば、ホイスラー合金を用いてもよい。ホイスラー合金は、例えば、L2構造を有し、XYZの様な組成を有する合金である。例えば、Co、Mn、Fe、Ni、Cu、Rh、Ru及びPdの少なくともいずれか1つを含むホイスラー合金を含む。 For the second magnetic layer 20, the third magnetic layer 30, and the fourth magnetic layer 40, for example, a Heusler alloy may be used. The Heusler alloy is, for example, an alloy having an L2 1 structure and a composition such as X 2 YZ. For example, a Heusler alloy containing at least one of Co, Mn, Fe, Ni, Cu, Rh, Ru, and Pd is included.

例えば、第2磁性層20、第3磁性層30及び第4磁性層40は、第1ホイスラー合金を含む。第1ホイスラー合金は、CoFeSi、CoFeAl、CoFeGa、CoMnGe、CoMnSn、CoMnSi、CoMnGa、CoMnAl、CoMnSb、CoCrGa、NiMnIn、NiMnGa、NiMnSn、NiMnSb、NiFeGa、PdMnSb、PdMnSn、CuMnAl、CuMnSn、CuMnIn、RhMnGe、RhMnPb、RhMnSn、PdMnGe、RhFeSn、RuFeSn、及びRhFeSbの少なくともいずれか1つを含む。 For example, the second magnetic layer 20, the third magnetic layer 30, and the fourth magnetic layer 40 include a first Heusler alloy. The first Heusler alloy, Co 2 FeSi, Co 2 FeAl , Co 2 FeGa, Co 2 MnGe, Co 2 MnSn, Co 2 MnSi, Co 2 MnGa, Co 2 MnAl, Co 2 MnSb, Co 2 CrGa, Ni 2 MnIn, Ni 2 MnGa, Ni 2 MnSn, Ni 2 MnSb, Ni 2 FeGa, Pd 2 MnSb, Pd 2 MnSn, Cu 2 MnAl, Cu 2 MnSn, Cu 2 MnIn, Rh 2 MnGe, Rh 2 MnPb, Rh 2 MnSn, Pd 2 It contains at least one of MnGe, Rh 2 FeSn, Ru 2 FeSn, and Rh 2 FeSb.

第2磁性層20、第3磁性層30及び第4磁性層40に上記の第1ホイスラー合金を用いることで、例えば、第2磁性層20、第3磁性層30及び第4磁性層40の飽和磁化Msを大きくすることができる。これにより、例えば、第2磁性層20と第1磁性層10における磁気共鳴周波数を低減することができ、磁気共鳴効果を生じやすくすることができる。   By using the first Heusler alloy for the second magnetic layer 20, the third magnetic layer 30, and the fourth magnetic layer 40, for example, the saturation of the second magnetic layer 20, the third magnetic layer 30, and the fourth magnetic layer 40. The magnetization Ms can be increased. Thereby, for example, the magnetic resonance frequency in the second magnetic layer 20 and the first magnetic layer 10 can be reduced, and the magnetic resonance effect can be easily generated.

例えば、第2磁性層20、第3磁性層30及び第4磁性層40は、第2ホイスラー合金を含んでもよい。第2ホイスラー合金は、CoHfSn、CoZrSn、CoHfAl、CoZrAl、CoHfGa、CoTiSi、CoTiGe、CoTiSn、CoTiGa、CoTiAl、CoVGa、CoVAl、CoTaAl、CoNbGa、CoNbAl、CoVSn、CoNbSn、CoCrAl、RhNiSn、RhNiGe、MnWSn、FeMnSi、及びFeMnAlの少なくともいずれか1つを含む。 For example, the second magnetic layer 20, the third magnetic layer 30, and the fourth magnetic layer 40 may include a second Heusler alloy. The second Heusler alloy is Co 2 HfSn, Co 2 ZrSn, Co 2 HfAl, Co 2 ZrAl, Co 2 HfGa, Co 2 TiSi, Co 2 TiGe, Co 2 TiSn, Co 2 TiGa, Co 2 TiAl, Co 2 VGa, At least of Co 2 VAl, Co 2 TaAl, Co 2 NbGa, Co 2 NbAl, Co 2 VSn, Co 2 NbSn, Co 2 CrAl, Rh 2 NiSn, Rh 2 NiGe, Mn 2 WSn, Fe 2 MnSi, and Fe 2 MnAl Including any one.

上記の第2ホイスラー合金は、比較的飽和磁化Msが小さい。例えばMs<400emu/ccとすることができる。これにより、例えば、隣接する磁気記憶素子への漏洩磁界を低減することができる。   The second Heusler alloy has a relatively small saturation magnetization Ms. For example, Ms <400 emu / cc. Thereby, for example, the leakage magnetic field to the adjacent magnetic memory element can be reduced.

第6磁性層60においては、例えば、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)及びクロム(Cr)よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む金属材料を用いることができる。第6磁性層60においては、上記の群から選択された少なくともいずれかと、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、イリジウム(Ir)、ルテニウム(Ru)及びロジウム(Rh)よりなる群から選択された少なくともいずれかの金属を含む合金を用いることができる。第6磁性層60においては、ガリウム(Ga)、アルミニウム(Al)、ゲルマニウム(Ge)、窒素(N)、リン(P)、砒素(As)、ボロン(B)、及びシリコン(Si)などの添加物を含んでもよい。例えば、第6磁性層60においては、CoFe、CoFeB、CoFeSiB、NiFe、MnGa、MnGe、CoFeAl、CoFeSi、CoFeGe、CoFeSn、CoMnAl、CoMnSi、CoMnGe、CoMnSnなどを用いても良い。各種の組成比は、適宜変えて良い。   In the sixth magnetic layer 60, for example, a metal material containing at least one element selected from the group consisting of iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), manganese (Mn), and chromium (Cr) Can be used. In the sixth magnetic layer 60, at least one selected from the above group and selected from the group consisting of platinum (Pt), palladium (Pd), iridium (Ir), ruthenium (Ru) and rhodium (Rh). An alloy containing at least one of the metals can be used. In the sixth magnetic layer 60, gallium (Ga), aluminum (Al), germanium (Ge), nitrogen (N), phosphorus (P), arsenic (As), boron (B), silicon (Si), etc. Additives may be included. For example, in the sixth magnetic layer 60, CoFe, CoFeB, CoFeSiB, NiFe, MnGa, MnGe, CoFeAl, CoFeSi, CoFeGe, CoFeSn, CoMnAl, CoMnSi, CoMnGe, CoMnSn, or the like may be used. Various composition ratios may be changed as appropriate.

例えば、第6磁性層60は、ホイスラー合金を含む。例えば、第6磁性層60には、Co、Mn、Fe、Ni、Cu、Rh、Ru及びPdの少なくともいずれかを含むホイスラー合金が用いられる。ホイスラー合金においては、例えば、スピン注入効率g(θ)が高い。これにより、例えば、後述する(1)式における傾きf/Jを大きくすることができる。すなわち、電流に対して、発振周波数を高くすることができる。   For example, the sixth magnetic layer 60 includes a Heusler alloy. For example, the sixth magnetic layer 60 is made of a Heusler alloy containing at least one of Co, Mn, Fe, Ni, Cu, Rh, Ru, and Pd. In the Heusler alloy, for example, the spin injection efficiency g (θ) is high. Thereby, for example, the gradient f / J in the equation (1) described later can be increased. That is, the oscillation frequency can be increased with respect to the current.

例えば、ホイスラー合金には、CoMnGa、CoMnAl、NiMnIn、NiMnGa、NiMnSn、PdMnSb、PdMnSn、CuMnAl、CuMnSn、CuMnIn、RhMnGe及びRhMnPbの少なくともいずれかが用いられる。
これらのホイスラー合金においては、磁化Msは比較的小さい。例えば、磁化Msは、800emu/cc以下である。このようなホイスラー合金を用いることで、例えば、後述する(1)上述の式における傾きf/Jをさらに大きくすることができる。
For example, the Heusler alloy, Co 2 MnGa, Co 2 MnAl , Ni 2 MnIn, Ni 2 MnGa, Ni 2 MnSn, Pd 2 MnSb, Pd 2 MnSn, Cu 2 MnAl, Cu 2 MnSn, Cu 2 MnIn, Rh 2 MnGe And at least one of Rh 2 MnPb is used.
In these Heusler alloys, the magnetization Ms is relatively small. For example, the magnetization Ms is 800 emu / cc or less. By using such a Heusler alloy, for example, (1) the inclination f / J in the above formula can be further increased, which will be described later.

例えば、ホイスラー合金には、CoFeSi、CoFeAl、CoFeGa、CoMnGe、CoMnSn及びCoMnSiの少なくともいずれかを用いてもよい。 For example, for the Heusler alloy, at least one of Co 2 FeSi, Co 2 FeAl, Co 2 FeGa, Co 2 MnGe, Co 2 MnSn, and Co 2 MnSi may be used.

これらのホイスラー合金においては、磁化Msが比較的大きい。例えば、磁化Msは、800emu/cc以上1000emu/cc以下である。これにより、例えば、第6磁性層60の磁化の発振により発生する磁界を大きくすることができる。第6磁性層60の磁化によって、第6磁性層60の磁化が反転しやすくなる。すなわち、反転電流を低減させることができる。   In these Heusler alloys, the magnetization Ms is relatively large. For example, the magnetization Ms is 800 emu / cc or more and 1000 emu / cc or less. Thereby, for example, the magnetic field generated by the oscillation of the magnetization of the sixth magnetic layer 60 can be increased. Due to the magnetization of the sixth magnetic layer 60, the magnetization of the sixth magnetic layer 60 is easily reversed. That is, the inversion current can be reduced.

第6磁性層60は、CoMnGa、CoMnAl、CoMnSb、CoCrGa、NiMnIn、NiMnGa、NiMnSn、NiMnSb、NiFeGa、PdMnSb、PdMnSn、CuMnAl、CuMnSn、CuMnIn、RhMnGe、RhMnPb、RhMnSn、PdMnGe、RhFeSn、RuFeSn、及びRhFeSbの少なくともいずれか1つを含む。 The sixth magnetic layer 60, Co 2 MnGa, Co 2 MnAl , Co 2 MnSb, Co 2 CrGa, Ni 2 MnIn, Ni 2 MnGa, Ni 2 MnSn, Ni 2 MnSb, Ni 2 FeGa, Pd 2 MnSb, Pd 2 MnSn , Cu 2 MnAl, Cu 2 MnSn, Cu 2 MnIn, Rh 2 MnGe, Rh 2 MnPb, Rh 2 MnSn, Pd 2 MnGe, Rh 2 FeSn, Ru 2 FeSn, and Rh 2 FeSb.

第6磁性層60に上記のホイスラー合金を用いることで、例えば、第3磁性層30の飽和磁化Msを大きくすることができる。これにより、第2磁性層20と第6磁性層60とが強磁性結合、反強磁性結合、または静磁結合すると、磁気共鳴効果が生じやすくなる。   By using the above Heusler alloy for the sixth magnetic layer 60, for example, the saturation magnetization Ms of the third magnetic layer 30 can be increased. Accordingly, when the second magnetic layer 20 and the sixth magnetic layer 60 are ferromagnetically coupled, antiferromagnetically coupled, or magnetostatically coupled, the magnetic resonance effect is likely to occur.

第6磁性層60が上記ホイスラー合金、CoFeSiB、CoFe、CoFeBのいずれかの場合、あるいはCoFeと他の金属の合金の場合、Msが大きくなる。これにより、第2磁性層20と第6磁性層60との強磁性結合、反強磁性結合、または静磁結合の結合力を強くすることができる。第6磁性層60の磁化の強さは、1000〜1600(emu/cc)が好ましい。LLG計算では、1000〜1400(emu/cc)がより好ましい。   When the sixth magnetic layer 60 is any of the Heusler alloy, CoFeSiB, CoFe, and CoFeB, or an alloy of CoFe and another metal, Ms increases. Thereby, the coupling force of the ferromagnetic coupling, the antiferromagnetic coupling, or the magnetostatic coupling between the second magnetic layer 20 and the sixth magnetic layer 60 can be increased. The magnetization intensity of the sixth magnetic layer 60 is preferably 1000 to 1600 (emu / cc). In the LLG calculation, 1000 to 1400 (emu / cc) is more preferable.

例えば、第6磁性層60に、ホイスラー合金を用いることで、例えば、スピン注入効率g(θ)が高くなる。   For example, by using a Heusler alloy for the sixth magnetic layer 60, for example, the spin injection efficiency g (θ) is increased.

例えば、第6磁性層60(発振層)において、発振周波数fと電流密度Jとの間には以下の(1)式の関係がある。
f=γ/(2πα)(h(bar)/2e)(g(θ)/Mst)J…(1)
γは、ジャイロ時定数を表す。αはダンピング定数を表す。h(bar)は、プランク定数を2πで割った値である。g(θ)は、スピン注入効率を表す。Msは、発振層(第6磁性層60)の磁化である。tは、発振層の厚さ(積層方向に沿った長さ)である。第6磁性層60の発振特性の傾きは、上記の(1)式において、f/Jで表わされる。
For example, in the sixth magnetic layer 60 (oscillation layer), the relationship of the following equation (1) exists between the oscillation frequency f and the current density J.
f = γ / (2πα) (h (bar) / 2e) (g (θ) / Mst) J (1)
γ represents a gyro time constant. α represents a damping constant. h (bar) is a value obtained by dividing the Planck constant by 2π. g (θ) represents the spin injection efficiency. Ms is the magnetization of the oscillation layer (sixth magnetic layer 60). t is the thickness of the oscillation layer (length along the stacking direction). The slope of the oscillation characteristic of the sixth magnetic layer 60 is represented by f / J in the above equation (1).

第6磁性層60にホイスラー合金を用いることにより、例えば、上述の式における傾きf/Jを大きくすることができる。電流密度(J)に対しての、発振周波数(f)の値がより高くなる。   By using a Heusler alloy for the sixth magnetic layer 60, for example, the inclination f / J in the above formula can be increased. The value of the oscillation frequency (f) becomes higher with respect to the current density (J).

実施形態においては、第6磁性層60において、このようなホイスラー合金を用いることが望ましい。これにより、発振層において、電流に対する発振周波数を大きくすることができる。このような発振層と、記憶層とを静磁結合させることによって、反転電流を低減させることができる。   In the embodiment, it is desirable to use such a Heusler alloy in the sixth magnetic layer 60. Thereby, the oscillation frequency with respect to the current can be increased in the oscillation layer. By switching the oscillation layer and the storage layer magnetostatically, the reversal current can be reduced.

例えば、第6磁性層60にホイスラー合金を用いる場合、第6磁性層60の磁化によって周囲に漏洩磁界が生じる場合がある。この漏洩磁界は、例えば、隣接するメモリセルに影響を与えてしまう場合がある。実施形態においては、後述する磁気シールド51を用いることが望ましい。これにより、漏洩磁界を抑制することができる。   For example, when a Heusler alloy is used for the sixth magnetic layer 60, a leakage magnetic field may be generated around by the magnetization of the sixth magnetic layer 60. This leakage magnetic field may affect adjacent memory cells, for example. In the embodiment, it is desirable to use a magnetic shield 51 described later. Thereby, a leakage magnetic field can be suppressed.

第2非磁性層32は、Ti、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W及びPtの群から選択される少なくとも1つを含む。第2非磁性層32は、Ti、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W及びPtの群から選択される少なくとも2つ以上を含む合金であってもよい。第2非磁性層32は、スピンポンピング効果の大きな重金属材料を含む。   The second nonmagnetic layer 32 includes at least one selected from the group consisting of Ti, V, Nb, Mo, Ru, Pd, Ta, W, and Pt. The second nonmagnetic layer 32 may be an alloy including at least two selected from the group consisting of Ti, V, Nb, Mo, Ru, Pd, Ta, W, and Pt. The second nonmagnetic layer 32 includes a heavy metal material having a large spin pumping effect.

第2非磁性層32を表面酸化することにより、第2非磁性層32は、MTJ素子と絶縁してもよい。X軸方向において第2非磁性層32と重なる絶縁膜(例えば、酸化ケイ素膜、窒化ケイ素膜、または酸化アルミニウム膜等)が設けられてもよい。   By oxidizing the surface of the second nonmagnetic layer 32, the second nonmagnetic layer 32 may be insulated from the MTJ element. An insulating film (for example, a silicon oxide film, a silicon nitride film, or an aluminum oxide film) that overlaps with the second nonmagnetic layer 32 in the X-axis direction may be provided.

第1非磁性層31、第3非磁性層33及び第4非磁性層34においては、例えば、非磁性トンネルバリア層として機能する絶縁材料を用いることができる。例えば、第1非磁性層31、第3非磁性層33及び第4非磁性層34には、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)、タンタル(Ta)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、シリコン(Si)、マグネシウム(Mg)及び鉄(Fe)よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む、酸化物、窒化物又は弗化物を用いることができる。非磁性トンネルバリア層は、例えば、絶縁体を含み、電圧を印加したときに、トンネル効果による電流(トンネル電流)の流れる非磁性の層である。非磁性トンネルバリア層の厚さは、例えば、2nm以下である。これにより、電圧を印加したときに、非磁性トンネルバリア層にトンネル電流が流れる。   In the first nonmagnetic layer 31, the third nonmagnetic layer 33, and the fourth nonmagnetic layer 34, for example, an insulating material functioning as a nonmagnetic tunnel barrier layer can be used. For example, the first nonmagnetic layer 31, the third nonmagnetic layer 33, and the fourth nonmagnetic layer 34 include aluminum (Al), titanium (Ti), zinc (Zn), zirconium (Zr), tantalum (Ta), Using an oxide, nitride, or fluoride containing at least one element selected from the group consisting of cobalt (Co), nickel (Ni), silicon (Si), magnesium (Mg), and iron (Fe) Can do. The nonmagnetic tunnel barrier layer includes, for example, an insulator, and is a nonmagnetic layer through which a current (tunnel current) due to a tunnel effect flows when a voltage is applied. The thickness of the nonmagnetic tunnel barrier layer is, for example, 2 nm or less. Thereby, when a voltage is applied, a tunnel current flows through the nonmagnetic tunnel barrier layer.

例えば、第1非磁性層31、第3非磁性層33及び第4非磁性層34においては、Al、SiO、MgO、AlN、Ta−O、Al−Zr−O、Bi、MgF、CaF、SrTiO、AlLaO、Al−N−O、MgAlO、MgZnO、MgGaO、MgGaO、ZnGaO、ZnAlO、SiZnO、BaO、SrO、Vo、TiO、Mg−Li−O、Mg−V−O、または、Si−N−O等を用いることができる。 For example, in the first nonmagnetic layer 31, the third nonmagnetic layer 33, and the fourth nonmagnetic layer 34, Al 2 O 3 , SiO 2 , MgO, AlN, Ta—O, Al—Zr—O, Bi 2 O 3 , MgF 2 , CaF 2 , SrTiO 3 , AlLaO 3 , Al—N—O, MgAlO, MgZnO, MgGaO, MgGaO, ZnGaO, ZnAlO, SiZnO, BaO, SrO, Vo, TiO, Mg—Li—O, Mg— V—O, Si—N—O, or the like can be used.

第1非磁性層31、第3非磁性層33及び第4非磁性層34には、例えば、非磁性半導体(ZnOx、InMn、GaN、GaAs、TiOx、Zn、Te、または、これらに遷移金属がドープされたもの)などを用いることができる。各種の組成比は、適宜変えても良い。   The first nonmagnetic layer 31, the third nonmagnetic layer 33, and the fourth nonmagnetic layer 34 include, for example, a nonmagnetic semiconductor (ZnOx, InMn, GaN, GaAs, TiOx, Zn, Te, or a transition metal in them. And the like can be used. Various composition ratios may be appropriately changed.

第1非磁性層31、第3非磁性層33及び第4非磁性層34の厚さは、約0.2ナノメートル(nm)以上2.0nm以下の範囲であることが望ましい。これにより、例えば、絶縁膜の均一性を確保しつつ、抵抗が過度に高くなることが抑制される。   The thicknesses of the first nonmagnetic layer 31, the third nonmagnetic layer 33, and the fourth nonmagnetic layer 34 are preferably in the range of about 0.2 nanometers (nm) to 2.0 nm. Thereby, for example, the resistance is prevented from becoming excessively high while ensuring the uniformity of the insulating film.

第1非磁性層31、第3非磁性層33及び第4非磁性層34においては、例えば、非磁性トンネルバリア層及び非磁性金属層のうちのいずれかを用いることができる。   In the first nonmagnetic layer 31, the third nonmagnetic layer 33, and the fourth nonmagnetic layer 34, for example, any one of a nonmagnetic tunnel barrier layer and a nonmagnetic metal layer can be used.

非磁性トンネルバリア層を用いる場合、その厚さは、約0.2nm以上2.0nm程度とすることが望ましい。   When the nonmagnetic tunnel barrier layer is used, the thickness is preferably about 0.2 nm to about 2.0 nm.

非磁性金属層には、例えば、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)、クロム(Cr)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、パラジウム(Pd)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、白金(Pt)及びビスマス(Bi)よりなる群から選択されたいずれかの非磁性金属、または、上記の群から選択された少なくともいずれか2つ以上の元素を含む合金を用いることができる。第1非磁性層31、第3非磁性層33及び第4非磁性層34として非磁性金属層を用いる場合、その厚さは、1.5nm以上、20nm以下とすることが望ましい。これにより、磁性層間で層間結合せず、かつ、伝導電子のスピン偏極状態が非磁性金属層を通過する際に失われることを抑制することができる。   Examples of the nonmagnetic metal layer include copper (Cu), silver (Ag), gold (Au), chromium (Cr), zinc (Zn), gallium (Ga), niobium (Nb), molybdenum (Mo), and ruthenium. (Ru), palladium (Pd), hafnium (Hf), tantalum (Ta), tungsten (W), platinum (Pt) and any nonmagnetic metal selected from the group consisting of bismuth (Bi), or the above An alloy containing at least any two or more elements selected from the group can be used. When a nonmagnetic metal layer is used as the first nonmagnetic layer 31, the third nonmagnetic layer 33, and the fourth nonmagnetic layer 34, the thickness is preferably 1.5 nm or more and 20 nm or less. Thereby, it is possible to suppress the loss of the spin-polarized state of conduction electrons when passing through the nonmagnetic metal layer without causing interlayer coupling between the magnetic layers.

第5非磁性層35及び第6非磁性層36には、例えば、非磁性金属層が用いられる。第5非磁性層35及び第6非磁性層36に用いられる非磁性金属層には、例えば、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)、クロム(Cr)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、パラジウム(Pd)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、チタン(Ti)、タングステン(W)、白金(Pt)、ビスマス(Bi)、イリジウム(Ir)及びオスミウム(Os)よりなる群から選択された少なくともいずれかの非磁性金属、または、上記の群から選択された2つ以上の非磁性金属を含む合金を含むことができる。   For the fifth nonmagnetic layer 35 and the sixth nonmagnetic layer 36, for example, a nonmagnetic metal layer is used. Nonmagnetic metal layers used for the fifth nonmagnetic layer 35 and the sixth nonmagnetic layer 36 include, for example, copper (Cu), silver (Ag), gold (Au), chromium (Cr), zinc (Zn), Gallium (Ga), niobium (Nb), molybdenum (Mo), ruthenium (Ru), palladium (Pd), hafnium (Hf), tantalum (Ta), titanium (Ti), tungsten (W), platinum (Pt), Including at least one nonmagnetic metal selected from the group consisting of bismuth (Bi), iridium (Ir), and osmium (Os), or an alloy including two or more nonmagnetic metals selected from the above group be able to.

第5非磁性層35及び第6非磁性層36に用いられる非磁性金属層は、例えば、上記の群から選択された少なくともいずれかの元素を含む、導電性窒化物、導電性酸化物及び導電性弗化物の少なくともいずれかでもよい。例えば、第6非磁性層36には、例えば、TiN及びTaNなどを用いることができる。第6非磁性層36には、これらの材料の膜を積層させた積層膜を用いても良い。第6非磁性層36には、例えば、Ti膜/Ru膜/Ti膜の積層膜などを用いることができる。   The nonmagnetic metal layer used for the fifth nonmagnetic layer 35 and the sixth nonmagnetic layer 36 includes, for example, a conductive nitride, a conductive oxide, and a conductive material containing at least one element selected from the above group. It may be at least one of the functional fluorides. For example, for the sixth nonmagnetic layer 36, for example, TiN and TaN can be used. The sixth nonmagnetic layer 36 may be a laminated film in which films of these materials are laminated. For the sixth nonmagnetic layer 36, for example, a laminated film of Ti film / Ru film / Ti film or the like can be used.

第5非磁性層35及び第6非磁性層36には、銅(Cu)などのスピン拡散長が長い材料を用いることができる。第6非磁性層36には、ルテニウム(Ru)などのなどのようなスピン拡散長の短い膜(スピン消失の機能を持つ材料)、または、スピン拡散長の短い構造を有する層を用いることが望ましい。   For the fifth nonmagnetic layer 35 and the sixth nonmagnetic layer 36, a material having a long spin diffusion length such as copper (Cu) can be used. As the sixth nonmagnetic layer 36, a film having a short spin diffusion length (a material having a spin disappearance function) such as ruthenium (Ru) or a layer having a structure having a short spin diffusion length is used. desirable.

これにより、第6磁性層60の磁化回転の制御性の低下を抑制できる。第6磁性層60の磁化が歳差運動をするためのスピントランスファトルクの大きさは、第1磁性層10でのスピン偏極で決まる。この構成においては、他の電子のスピンの影響(スピントランスファトルク)を受けることなく、第6磁性層60の磁化を独立に制御することが可能となる。   Thereby, the fall of controllability of the magnetization rotation of the sixth magnetic layer 60 can be suppressed. The magnitude of the spin transfer torque for precessing the magnetization of the sixth magnetic layer 60 is determined by the spin polarization in the first magnetic layer 10. In this configuration, the magnetization of the sixth magnetic layer 60 can be independently controlled without being affected by the spin of other electrons (spin transfer torque).

第5非磁性層35及び第6非磁性層36のための、このようなスピン消失効果が得られる材料としては、ルテニウム(Ru)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、モリブデン(Mo)、ニオブ(Nb)、ジルコニウム(Zr)、チタン(Ti)及びバナジウム(V)よりなる群から選択された金属、または、これらの群から選択された2つ以上を含む合金である。   Examples of materials for obtaining such a spin disappearance effect for the fifth nonmagnetic layer 35 and the sixth nonmagnetic layer 36 include ruthenium (Ru), tantalum (Ta), tungsten (W), platinum (Pt), A metal selected from the group consisting of palladium (Pd), molybdenum (Mo), niobium (Nb), zirconium (Zr), titanium (Ti) and vanadium (V), or two or more selected from these groups It is an alloy containing.

第5非磁性層35及び第6非磁性層36の厚さは、1.4nm以上に設定することが望ましい。   The thicknesses of the fifth nonmagnetic layer 35 and the sixth nonmagnetic layer 36 are preferably set to 1.4 nm or more.

第5非磁性層35及び第6非磁性層36の厚さが1.4nm以上であると、第5非磁性層35及び第6非磁性層36において、伝導電子が第5非磁性層35の内部及び界面及び第6非磁性層36の内部及び界面を通過する際にスピン偏極度を消失させることができる。第1磁性層10の磁化の向きにより第6磁性層60の歳差運動が変化することを、第5非磁性層35及び第6非磁性層36より防ぐことができる。   When the thicknesses of the fifth non-magnetic layer 35 and the sixth non-magnetic layer 36 are 1.4 nm or more, in the fifth non-magnetic layer 35 and the sixth non-magnetic layer 36, conduction electrons of the fifth non-magnetic layer 35 The spin polarization can be eliminated when passing through the inside and the interface and the inside and the interface of the sixth nonmagnetic layer 36. The fifth nonmagnetic layer 35 and the sixth nonmagnetic layer 36 can prevent the precession of the sixth magnetic layer 60 from changing depending on the magnetization direction of the first magnetic layer 10.

一方、第5非磁性層35及び第6非磁性層36の厚さが20nmを超えると、多層膜のピラー形成が困難となる。さらに、第6磁性層60から発生する回転磁界の強度が、第1磁性層10の位置で減衰する。そのため、第5非磁性層35及び第6非磁性層36の厚さは、20nm以下に設定されることが望ましい。   On the other hand, if the thickness of the fifth nonmagnetic layer 35 and the sixth nonmagnetic layer 36 exceeds 20 nm, it is difficult to form a multilayer film pillar. Further, the strength of the rotating magnetic field generated from the sixth magnetic layer 60 is attenuated at the position of the first magnetic layer 10. Therefore, the thicknesses of the fifth nonmagnetic layer 35 and the sixth nonmagnetic layer 36 are preferably set to 20 nm or less.

第1導電層81及び第2導電層82には、例えば、導電性の磁性材料または導電性の非磁性材料が用いられる。導電性の磁性材料としては、例えば、第6磁性層60及び第7磁性層70に用いられる材料と実質的に同じ材料を挙げることができる。   For the first conductive layer 81 and the second conductive layer 82, for example, a conductive magnetic material or a conductive nonmagnetic material is used. Examples of the conductive magnetic material include substantially the same materials as those used for the sixth magnetic layer 60 and the seventh magnetic layer 70.

第1導電層81及び第2導電層82に用いられる導電性の非磁性材料には、例えば、金(Au)、銅(Cu)、クロム(Cr)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、チタン(Ti)、タングステン(W)、白金(Pt)、ビスマス(Bi)及びアルミニウム(Al)よりなる群から選択されたいずれかの金属、または、上記の群から選択された2つ以上の金属を含む合金を用いることができる。   Examples of the conductive nonmagnetic material used for the first conductive layer 81 and the second conductive layer 82 include gold (Au), copper (Cu), chromium (Cr), zinc (Zn), gallium (Ga), Niobium (Nb), molybdenum (Mo), ruthenium (Ru), palladium (Pd), silver (Ag), hafnium (Hf), tantalum (Ta), titanium (Ti), tungsten (W), platinum (Pt), Any metal selected from the group consisting of bismuth (Bi) and aluminum (Al), or an alloy containing two or more metals selected from the above group can be used.

さらに、第1導電層81及び第2導電層82に用いられる導電性の非磁性材料は、上記の群から選択された少なくともいずれかの元素を含む、導電性窒化物、導電性酸化物及び導電性弗化物の少なくともいずれかでもよい。第1導電層81及び第2導電層82に用いられる導電性の非磁性材料は、カーボンナノチューブ、カーボンナノワイヤ及びグラフェンなどでもよい。   Furthermore, the conductive nonmagnetic material used for the first conductive layer 81 and the second conductive layer 82 includes a conductive nitride, a conductive oxide, and a conductive material containing at least one element selected from the above group. It may be at least one of the functional fluorides. The conductive nonmagnetic material used for the first conductive layer 81 and the second conductive layer 82 may be carbon nanotubes, carbon nanowires, graphene, or the like.

第1導電層81及び第2導電層82に導電性の保護膜を設けてもよい。この場合、保護膜には、例えば、タンタル(Ta)、ルテニウム(Ru)、銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)及びアルミニウム(Al)よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む合金、または、グラフェンなどの材料を用いることができる。エレクトロマグレーション耐性及び低抵抗であることを考慮すると、保護膜には、銅(Cu)及びアルミニウム(Al)よりなる群から選択されたいずれかの元素、または、これらを含む合金を用いることが望ましい。   A conductive protective film may be provided on the first conductive layer 81 and the second conductive layer 82. In this case, for example, tantalum (Ta), ruthenium (Ru), copper (Cu), gold (Au), silver (Ag), aluminum (Al), copper (Cu), gold (Au), An alloy containing at least one element selected from the group consisting of silver (Ag) and aluminum (Al), or a material such as graphene can be used. In consideration of electromagration resistance and low resistance, the protective film may be any element selected from the group consisting of copper (Cu) and aluminum (Al), or an alloy containing these elements. desirable.

第1導電層81及び第2導電層82の少なくともいずれかに、トランジスタが直接または間接に接続される場合がある。このとき、第1導電層81及び第2導電層82の上記の少なくともいずれかには、例えば、そのトランジスタのソース部またはドレイン部が用いられても良い。このとき、第1導電層81及び第2導電層82の上記の少なくともいずれかには、例えば、そのトランジスタのソース部またはドレイン部と接続されるコンタクト部が用いられても良い。   A transistor may be directly or indirectly connected to at least one of the first conductive layer 81 and the second conductive layer 82. At this time, for example, the source portion or the drain portion of the transistor may be used as at least one of the first conductive layer 81 and the second conductive layer 82. At this time, for example, a contact portion connected to the source portion or the drain portion of the transistor may be used as at least one of the first conductive layer 81 and the second conductive layer 82.

X−Y平面に投影したときの第1積層部SB1の形状及び第2積層部SB2の形状は任意である。X−Y平面に投影したときの第1積層部SB1の形状及び第2積層部SB2の形状は、例えば、円形、楕円形、扁平円、及び、多角形などである。多角形とする場合には、四角形や六角形などの3つ以上の角を有することが好ましい。多角形は、角丸状でもよい。   The shape of the first stacked unit SB1 and the shape of the second stacked unit SB2 when projected onto the XY plane are arbitrary. The shape of the first stacked unit SB1 and the shape of the second stacked unit SB2 when projected onto the XY plane are, for example, a circle, an ellipse, a flat circle, and a polygon. In the case of a polygon, it preferably has three or more corners such as a quadrangle and a hexagon. The polygon may be rounded.

Z軸方向に対して平行な平面(例えばZ−X平面やZ−Y平面)に投影したときの第1積層部SB1及び第2積層部SB2の形状は任意である。Z軸方向に対して平行な平面に投影したときの第1積層部SB1の形状及び第2積層部SB2の形状(膜面に対して垂直な面で切断した形状)は、例えば、テーパ形状または逆テーパ形状を有することができる。   The shapes of the first stacked unit SB1 and the second stacked unit SB2 when projected onto a plane parallel to the Z-axis direction (for example, a ZX plane or a ZY plane) are arbitrary. The shape of the first stacked unit SB1 and the shape of the second stacked unit SB2 (a shape cut by a plane perpendicular to the film surface) when projected onto a plane parallel to the Z-axis direction are, for example, a tapered shape or It can have a reverse taper shape.

次に、第1の実施形態に係る磁気記憶素子の製造方法の一例について説明する。以下の製造方法は、磁気記憶素子に加え、層の作製順を適宜変更することにより、実施形態に係る、後述する他の磁気記憶素子にも適用できる。以下の説明において、「材料A/材料B」は、材料Aの上に材料Bが積層されていることを指す。   Next, an example of a method for manufacturing the magnetic memory element according to the first embodiment will be described. In addition to the magnetic memory element, the following manufacturing method can be applied to other magnetic memory elements described later according to the embodiment by appropriately changing the order of forming the layers. In the following description, “material A / material B” indicates that material B is laminated on material A.

図15(a)〜図15(f)は、第1の実施形態に係る磁気記憶素子の製造方法を例示する模式的断面図である。
図16(a)〜図16(d)は、第1の実施形態に係る磁気記憶素子の製造方法を例示する模式的断面図である。
FIG. 15A to FIG. 15F are schematic cross-sectional views illustrating the method for manufacturing the magnetic memory element according to the first embodiment.
FIG. 16A to FIG. 16D are schematic cross-sectional views illustrating the method for manufacturing the magnetic memory element according to the first embodiment.

図15(a)に示すように、Z軸方向において、第5非磁性層35が第8磁性層18に重なる積層体を用意する。例えば、第8磁性層18上には、第5非磁性層35を形成する。第5非磁性層35は、Z軸方向において第8磁性層18と重なる。第5非磁性層35は、減圧雰囲気でスパッタリング法またはMBE法により形成される。   As illustrated in FIG. 15A, a stacked body in which the fifth nonmagnetic layer 35 overlaps the eighth magnetic layer 18 in the Z-axis direction is prepared. For example, the fifth nonmagnetic layer 35 is formed on the eighth magnetic layer 18. The fifth nonmagnetic layer 35 overlaps the eighth magnetic layer 18 in the Z-axis direction. The fifth nonmagnetic layer 35 is formed by a sputtering method or an MBE method in a reduced pressure atmosphere.

図15(b)に示すように、第8磁性層18上には、第2非磁性膜32Fを形成する。
第2非磁性膜32Fは、Z軸方向において第8磁性層18及び第5非磁性層35と重なる。第2非磁性膜32Fは、X軸方向において第8磁性層18及び第5非磁性層35と重なる。第2非磁性膜32Fの上面32tは、例えば、CMP(Chemical Mechanical Polishing)により研磨される。CMP処理では、シリカ系スラリが用いられる。
As shown in FIG. 15B, the second nonmagnetic film 32 </ b> F is formed on the eighth magnetic layer 18.
The second nonmagnetic film 32F overlaps the eighth magnetic layer 18 and the fifth nonmagnetic layer 35 in the Z-axis direction. The second nonmagnetic film 32F overlaps the eighth magnetic layer 18 and the fifth nonmagnetic layer 35 in the X-axis direction. The upper surface 32t of the second nonmagnetic film 32F is polished by, for example, CMP (Chemical Mechanical Polishing). In the CMP treatment, a silica-based slurry is used.

図15(c)に示すように、第2非磁性膜32F上には、マスク86Aを形成する。マスク86Aは、Z軸方向において、第2非磁性膜32Fの一部と重なる。マスク86Aは、レジストを含む。マスク86Aは、ArF液浸スキャナ法またはEB描画法により、パターニングされる。マスク86Aは、開口部86hを有する。開口部86hにおいて、第2非磁性膜32Fは露出する。   As shown in FIG. 15C, a mask 86A is formed on the second nonmagnetic film 32F. The mask 86A overlaps with a part of the second nonmagnetic film 32F in the Z-axis direction. The mask 86A includes a resist. The mask 86A is patterned by an ArF immersion scanner method or an EB drawing method. The mask 86A has an opening 86h. In the opening 86h, the second nonmagnetic film 32F is exposed.

図15(d)に示すように、マスク86Aから露出された第2非磁性膜32Fをエッチングする。エッチングでは、イオンミリング法またはRIE法が用いられる。これにより、マスク86Aから露出された第2非磁性膜32Fが除去される。これにより、第2非磁性層32が形成される。第2非磁性層32には、凹部32hが形成される。凹部32hにおいて、第5非磁性層35が露出する。   As shown in FIG. 15D, the second nonmagnetic film 32F exposed from the mask 86A is etched. In the etching, an ion milling method or an RIE method is used. Thereby, the second nonmagnetic film 32F exposed from the mask 86A is removed. Thereby, the second nonmagnetic layer 32 is formed. A recess 32 h is formed in the second nonmagnetic layer 32. The fifth nonmagnetic layer 35 is exposed in the recess 32h.

図15(e)に示すように、凹部32h内及びマスク86A上に、第1磁性膜10F(例えば強磁性膜)を形成する。第1磁性膜10Fは、減圧雰囲気でスパッタリング法またはMBE法により形成される。   As shown in FIG. 15E, the first magnetic film 10F (for example, a ferromagnetic film) is formed in the recess 32h and on the mask 86A. The first magnetic film 10F is formed by a sputtering method or an MBE method in a reduced pressure atmosphere.

図15(f)に示すように、マスク86Aを有機溶剤または酸素アッシング法により除去する。これにより、マスク86A上の第1磁性膜10Fが除去される。これにより、凹部10h内には、第1磁性層10が形成される。第1磁性層10は、X軸方向において、第2非磁性層32に重なる。   As shown in FIG. 15F, the mask 86A is removed by an organic solvent or an oxygen ashing method. Thereby, the first magnetic film 10F on the mask 86A is removed. Thereby, the first magnetic layer 10 is formed in the recess 10h. The first magnetic layer 10 overlaps the second nonmagnetic layer 32 in the X-axis direction.

図16(a)に示すように、第1磁性層10上及び第2非磁性層32上には、第1非磁性膜31Fを形成する。第1非磁性膜31Fは、Z軸方向において第1磁性層10及び第2非磁性層32と重なる。第1非磁性膜31Fの厚さ(Z軸方向における長さ)は、例えば、0.1nmである。第1非磁性膜31F上には、第2磁性膜20F(例えば強磁性膜)を形成する。第2磁性膜20Fは、Z軸方向において第1非磁性膜31Fと重なる。第1非磁性膜31F及び第2磁性膜20Fは、減圧雰囲気でスパッタリング法またはMBE法により形成される。   As shown in FIG. 16A, a first nonmagnetic film 31F is formed on the first magnetic layer 10 and the second nonmagnetic layer 32. The first nonmagnetic film 31F overlaps the first magnetic layer 10 and the second nonmagnetic layer 32 in the Z-axis direction. The thickness (length in the Z-axis direction) of the first nonmagnetic film 31F is, for example, 0.1 nm. A second magnetic film 20F (for example, a ferromagnetic film) is formed on the first nonmagnetic film 31F. The second magnetic film 20F overlaps the first nonmagnetic film 31F in the Z-axis direction. The first nonmagnetic film 31F and the second magnetic film 20F are formed by a sputtering method or an MBE method in a reduced pressure atmosphere.

図16(b)に示すように、第2磁性膜20F上に、マスク86Bを形成する。マスク86Bは、Z軸方向において、第2磁性膜20Fの一部と重なる。マスク86Bは、レジストを含む。マスク86Bは、ArF液浸スキャナ法またはEB描画法により、パターニングされる。マスク86Bは、第1磁性層10上に位置する。X軸方向において、マスク86Bの長さは、例えば、20nm以上30nm以下である。   As shown in FIG. 16B, a mask 86B is formed on the second magnetic film 20F. The mask 86B overlaps part of the second magnetic film 20F in the Z-axis direction. The mask 86B includes a resist. The mask 86B is patterned by an ArF immersion scanner method or an EB drawing method. The mask 86B is located on the first magnetic layer 10. In the X-axis direction, the length of the mask 86B is, for example, not less than 20 nm and not more than 30 nm.

マスク86Bから露出された第2磁性膜20Fは、エッチングされる。マスク86Bから露出された第1非磁性膜31Fは、エッチングされる。エッチングでは、イオンミリング法またはRIE法が用いられる。   The second magnetic film 20F exposed from the mask 86B is etched. The first nonmagnetic film 31F exposed from the mask 86B is etched. In the etching, an ion milling method or an RIE method is used.

これにより、図16(c)に示すように、第2磁性層20及び第1非磁性層31が形成される。第2磁性層20及び第1非磁性層31は、Z軸方向において、第1磁性層10と重なる。   Thereby, as shown in FIG. 16C, the second magnetic layer 20 and the first nonmagnetic layer 31 are formed. The second magnetic layer 20 and the first nonmagnetic layer 31 overlap the first magnetic layer 10 in the Z-axis direction.

エッチング後、マスク86B上及び第2非磁性層32上には、層間絶縁膜200Fを形成する。層間絶縁膜200Fは、減圧雰囲気でスパッタリング法またはALD(Atomic Layer Deposition)により形成される。層間絶縁膜200Fは、シリコン酸化物及びシリコン窒化物の少なくともいずれかを含む。層間絶縁膜200Fは、Z軸方向において、マスク86Bと重なる。層間絶縁膜200Fは、X軸方向において、第1非磁性層31、第2磁性層20及びマスク86Bと重なる。   After the etching, an interlayer insulating film 200F is formed on the mask 86B and the second nonmagnetic layer 32. The interlayer insulating film 200F is formed by a sputtering method or ALD (Atomic Layer Deposition) in a reduced pressure atmosphere. The interlayer insulating film 200F includes at least one of silicon oxide and silicon nitride. The interlayer insulating film 200F overlaps the mask 86B in the Z-axis direction. The interlayer insulating film 200F overlaps the first nonmagnetic layer 31, the second magnetic layer 20, and the mask 86B in the X-axis direction.

図16(d)に示すように、層間絶縁膜200FをCMP法により研磨する。層間絶縁膜200Fの研磨では、シリカ系スラリが用いられる。層間絶縁膜200Fの研磨では、第2磁性層20がストッパ層として機能する。これにより、層間絶縁膜200が形成される。層間絶縁膜200は、X軸方向において第2磁性層20及び第1非磁性層31と重なる。層間絶縁膜200は、Z軸方向において第2非磁性層32と重なる。   As shown in FIG. 16D, the interlayer insulating film 200F is polished by the CMP method. In polishing the interlayer insulating film 200F, a silica-based slurry is used. In polishing the interlayer insulating film 200F, the second magnetic layer 20 functions as a stopper layer. Thereby, the interlayer insulating film 200 is formed. The interlayer insulating film 200 overlaps the second magnetic layer 20 and the first nonmagnetic layer 31 in the X-axis direction. The interlayer insulating film 200 overlaps the second nonmagnetic layer 32 in the Z-axis direction.

図17(a)〜図17(e)は、第1の実施形態に係る磁気記憶素子の別の製造方法を例示する模式的断面図である。
図18(a)〜図18(d)は、第1の実施形態に係る磁気記憶素子の別の製造方法を例示する模式的断面図である。
FIG. 17A to FIG. 17E are schematic cross-sectional views illustrating another method for manufacturing the magnetic memory element according to the first embodiment.
FIG. 18A to FIG. 18D are schematic cross-sectional views illustrating another method for manufacturing the magnetic memory element according to the first embodiment.

図17(a)に示すように、Z軸方向において、第5非磁性層35が第8磁性層18に重なる積層体を用意する。例えば、第8磁性層18上には、第5非磁性層35を形成する。第5非磁性層35は、Z軸方向において第8磁性層18と重なる。第5非磁性層35は、減圧雰囲気でスパッタリング法またはMBE法により形成される。   As illustrated in FIG. 17A, a stacked body in which the fifth nonmagnetic layer 35 overlaps the eighth magnetic layer 18 in the Z-axis direction is prepared. For example, the fifth nonmagnetic layer 35 is formed on the eighth magnetic layer 18. The fifth nonmagnetic layer 35 overlaps the eighth magnetic layer 18 in the Z-axis direction. The fifth nonmagnetic layer 35 is formed by a sputtering method or an MBE method in a reduced pressure atmosphere.

X軸方向において、第5非磁性層35及び第8磁性層18に重なる第2非磁性膜32F2を形成する。第2非磁性膜32F2は、減圧雰囲気でスパッタリング法またはMBE法により形成される。第5非磁性層35の材料は、第2非磁性膜32F2の材料と同じであってもよい。第5非磁性層35は、第2非磁性膜32F2と同じ製造工程で形成してもよい。   A second nonmagnetic film 32F2 is formed to overlap the fifth nonmagnetic layer 35 and the eighth magnetic layer 18 in the X-axis direction. The second nonmagnetic film 32F2 is formed by a sputtering method or an MBE method in a reduced pressure atmosphere. The material of the fifth nonmagnetic layer 35 may be the same as the material of the second nonmagnetic film 32F2. The fifth nonmagnetic layer 35 may be formed in the same manufacturing process as the second nonmagnetic film 32F2.

第5非磁性層35上及び第2非磁性膜32F2上には、第1磁性膜10Fを形成する。第1磁性膜10Fは、減圧雰囲気でスパッタリング法またはMBE法により形成される。   A first magnetic film 10F is formed on the fifth nonmagnetic layer 35 and the second nonmagnetic film 32F2. The first magnetic film 10F is formed by a sputtering method or an MBE method in a reduced pressure atmosphere.

図17(b)に示すように、第1磁性膜10F上に、マスク87Aを形成する。マスク87Aは、Z軸方向において、第1磁性膜10Fの一部と重なる。マスク87Aは、レジストを含む。マスク87Aは、ArF液浸スキャナ法またはEB描画法により、パターニングされる。マスク87Aは、第8磁性層18上に位置する。X軸方向において、マスク87Aの長さは、例えば、20nm以上30nm以下である。   As shown in FIG. 17B, a mask 87A is formed on the first magnetic film 10F. The mask 87A overlaps part of the first magnetic film 10F in the Z-axis direction. The mask 87A includes a resist. The mask 87A is patterned by an ArF immersion scanner method or an EB drawing method. The mask 87A is located on the eighth magnetic layer 18. In the X-axis direction, the length of the mask 87A is, for example, not less than 20 nm and not more than 30 nm.

図17(c)に表すように、マスク87Aから露出された第1磁性膜10Fをエッチングする。エッチングされる。エッチングでは、イオンミリング法またはRIE法が用いられる。これにより、第5非磁性層35上に第1磁性層10が形成される。   As shown in FIG. 17C, the first magnetic film 10F exposed from the mask 87A is etched. Etched. In the etching, an ion milling method or an RIE method is used. As a result, the first magnetic layer 10 is formed on the fifth nonmagnetic layer 35.

この例では、マスク87Aから露出された第2非磁性膜32F2をイオンミリング法またはRIE法によりエッチングする。これにより第2非磁性膜32F2の一部がマスク87Aの側面87w及び第1磁性層10の側面10wに再堆積する。これにより、例えば、X軸方向において第1磁性層10と重なる第2非磁性膜32F3が形成される。この例では、第2非磁性膜32F2と第2非磁性膜32F3とを含む層を、第2非磁性層32とする。   In this example, the second nonmagnetic film 32F2 exposed from the mask 87A is etched by ion milling or RIE. Thereby, a part of the second nonmagnetic film 32F2 is redeposited on the side surface 87w of the mask 87A and the side surface 10w of the first magnetic layer 10. Thereby, for example, the second nonmagnetic film 32F3 that overlaps the first magnetic layer 10 in the X-axis direction is formed. In this example, a layer including the second nonmagnetic film 32F2 and the second nonmagnetic film 32F3 is referred to as a second nonmagnetic layer 32.

図17(d)に示すように、マスク87A上及び第2非磁性層32上には、層間絶縁膜200F1を形成する。層間絶縁膜200F1は、減圧雰囲気でスパッタリング法またはALD法により形成される。層間絶縁膜200F1は、Z軸方向において、マスク87Aと重なる。層間絶縁膜200F1は、シリコン酸化物及びシリコン窒化物の少なくともいずれかを含む。層間絶縁膜200F1は、X軸方向において、第2非磁性膜32F3、第1磁性層10及びマスク87Aと重なる。   As shown in FIG. 17D, an interlayer insulating film 200F1 is formed on the mask 87A and the second nonmagnetic layer 32. The interlayer insulating film 200F1 is formed by a sputtering method or an ALD method in a reduced pressure atmosphere. The interlayer insulating film 200F1 overlaps the mask 87A in the Z-axis direction. The interlayer insulating film 200F1 includes at least one of silicon oxide and silicon nitride. The interlayer insulating film 200F1 overlaps with the second nonmagnetic film 32F3, the first magnetic layer 10, and the mask 87A in the X-axis direction.

図17(e)に示すように、層間絶縁膜200F1をCMP法により研磨する。層間絶縁膜200F1の研磨では、シリカ系スラリが用いられる。層間絶縁膜200F1の研磨では、第1磁性層10がストッパ層として機能する。マスク87Aについては、有機溶剤または酸素アッシング法で除去してもよい。   As shown in FIG. 17E, the interlayer insulating film 200F1 is polished by the CMP method. A silica-based slurry is used for polishing the interlayer insulating film 200F1. In polishing the interlayer insulating film 200F1, the first magnetic layer 10 functions as a stopper layer. The mask 87A may be removed by an organic solvent or an oxygen ashing method.

図18(a)に示すように、第1磁性層10上、第2非磁性層32上及び層間絶縁膜200F1上には、第1非磁性膜31Fを形成する。第1非磁性膜31Fは、Z軸方向において第1磁性層10及び第2非磁性層32と重なる。第1非磁性膜31Fの厚さ(Z軸方向における長さ)は、例えば、0.1nmである。第1非磁性膜31F上には、第2磁性膜20Fを形成する。第2磁性膜20Fは、Z軸方向において第1非磁性膜31Fと重なる。第1非磁性膜31F及び第2磁性膜20Fは、減圧雰囲気でスパッタリング法またはMBE法により形成される。   As shown in FIG. 18A, a first nonmagnetic film 31F is formed on the first magnetic layer 10, the second nonmagnetic layer 32, and the interlayer insulating film 200F1. The first nonmagnetic film 31F overlaps the first magnetic layer 10 and the second nonmagnetic layer 32 in the Z-axis direction. The thickness (length in the Z-axis direction) of the first nonmagnetic film 31F is, for example, 0.1 nm. A second magnetic film 20F is formed on the first nonmagnetic film 31F. The second magnetic film 20F overlaps the first nonmagnetic film 31F in the Z-axis direction. The first nonmagnetic film 31F and the second magnetic film 20F are formed by a sputtering method or an MBE method in a reduced pressure atmosphere.

図18(b)に示すように、第2磁性膜20F上に、マスク87Bを形成する。マスク87Bは、Z軸方向において、第2磁性膜20Fの一部と重なる。マスク87Bは、レジストを含む。マスク87Bは、ArF液浸スキャナ法またはEB描画法により、パターニングされる。マスク87Bは、第1磁性層10上に位置する。X軸方向において、マスク87Bの長さは、例えば、20nm以上30nm以下である。   As shown in FIG. 18B, a mask 87B is formed on the second magnetic film 20F. The mask 87B overlaps with a part of the second magnetic film 20F in the Z-axis direction. The mask 87B includes a resist. The mask 87B is patterned by an ArF immersion scanner method or an EB drawing method. The mask 87B is located on the first magnetic layer 10. In the X-axis direction, the length of the mask 87B is, for example, not less than 20 nm and not more than 30 nm.

図18(c)に示すように、マスク87Bから露出された第2磁性膜20Fは、エッチングされる。マスク87Bから露出された第1非磁性膜31Fは、エッチングされる。エッチングでは、イオンミリング法またはRIE法が用いられる。   As shown in FIG. 18C, the second magnetic film 20F exposed from the mask 87B is etched. The first nonmagnetic film 31F exposed from the mask 87B is etched. In the etching, an ion milling method or an RIE method is used.

これにより、第2磁性層20及び第1非磁性層31が形成される。第2磁性層20及び第1非磁性層31は、Z軸方向において、第1磁性層10と重なる。   Thereby, the second magnetic layer 20 and the first nonmagnetic layer 31 are formed. The second magnetic layer 20 and the first nonmagnetic layer 31 overlap the first magnetic layer 10 in the Z-axis direction.

図18(d)に示すように、マスク87Bを有機溶剤または酸素アッシング法により除去する。X軸方向において、X軸方向において第2磁性層20及び第1非磁性層31と重なる層間絶縁膜200F2を形成する。層間絶縁膜200F2は、Z軸方向において第2非磁性層32と重なる。層間絶縁膜200F2は、シリコン酸化物及びシリコン窒化物の少なくともいずれかを含む。層間絶縁膜200F2は、減圧雰囲気でスパッタリング法またはALD法により形成される。   As shown in FIG. 18D, the mask 87B is removed by an organic solvent or an oxygen ashing method. In the X-axis direction, an interlayer insulating film 200F2 that overlaps the second magnetic layer 20 and the first nonmagnetic layer 31 in the X-axis direction is formed. The interlayer insulating film 200F2 overlaps with the second nonmagnetic layer 32 in the Z-axis direction. The interlayer insulating film 200F2 includes at least one of silicon oxide and silicon nitride. The interlayer insulating film 200F2 is formed by a sputtering method or an ALD method in a reduced pressure atmosphere.

図19は、第1の実施形態に係る別の不揮発性記憶装置を例示する模式的断面図である。
図19に示すように、不揮発性記憶装置611は、磁気記憶素子117を含む。不揮発性記憶装置611は、この他、制御部550を含んでも良く、図19では、制御部550は省略されている。磁気記憶素子117においては、第1磁性層10の磁化10mの向きが下向きであり、第7磁性層70の磁化70mの向きが上向きである。このように、磁化10mの向き及び磁化70mの向きは、第1磁性層10の磁化10mの向き及び磁化70mの向きに対して、それぞれ逆向きでもよい。
FIG. 19 is a schematic cross-sectional view illustrating another nonvolatile memory device according to the first embodiment.
As shown in FIG. 19, the nonvolatile memory device 611 includes a magnetic memory element 117. In addition, the nonvolatile storage device 611 may include a control unit 550, and the control unit 550 is omitted in FIG. In the magnetic memory element 117, the direction of the magnetization 10m of the first magnetic layer 10 is downward, and the direction of the magnetization 70m of the seventh magnetic layer 70 is upward. Thus, the direction of the magnetization 10m and the direction of the magnetization 70m may be opposite to the direction of the magnetization 10m and the direction of the magnetization 70m of the first magnetic layer 10, respectively.

第6非磁性層36においてスピン情報が保たれると、第6磁性層60は、第2磁性層20からのスピントランスファトルクの影響を受ける。これにより、第6磁性層60の磁化回転の制御性が低下する場合がある。   If spin information is maintained in the sixth nonmagnetic layer 36, the sixth magnetic layer 60 is affected by the spin transfer torque from the second magnetic layer 20. Thereby, the controllability of the magnetization rotation of the sixth magnetic layer 60 may be deteriorated.

このとき、第6非磁性層36として、例えばルテニウム(Ru)などのようなスピン拡散長の短い膜(スピン消失の機能を持つ材料)を用いることが望ましい。第6非磁性層36として、例えばルテニウム(Ru)などのようなスピン拡散長の短い構造を有する層を用いることが望ましい。これにより、第6磁性層60の磁化回転の制御性の低下を抑制できる。   At this time, as the sixth nonmagnetic layer 36, it is desirable to use a film having a short spin diffusion length such as ruthenium (Ru) (a material having a spin disappearance function). As the sixth nonmagnetic layer 36, it is desirable to use a layer having a short spin diffusion length structure such as ruthenium (Ru). Thereby, the fall of controllability of the magnetization rotation of the sixth magnetic layer 60 can be suppressed.

第6磁性層60の磁化60mが歳差運動をするためのスピントランスファトルクの大きさは、第7磁性層70でのスピン偏極で決まる。この構成においては、他の電子のスピンの影響(スピントランスファトルク)を受けることなく、第6磁性層60の磁化60mを独立に制御することが可能となる。   The magnitude of the spin transfer torque for precessing the magnetization 60 m of the sixth magnetic layer 60 is determined by the spin polarization in the seventh magnetic layer 70. In this configuration, the magnetization 60m of the sixth magnetic layer 60 can be independently controlled without being affected by the spin of other electrons (spin transfer torque).

第6非磁性層36のための、このようなスピン消失効果が得られる材料としては、ルテニウム(Ru)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、モリブデン(Mo)、ニオブ(Nb)、ジルコニウム(Zr)、チタン(Ti)及びバナジウム(V)よりなる群から選択された金属、または、これらの群から選択された2つ以上を含む合金を挙げることができる。   As the material for the sixth nonmagnetic layer 36 that can obtain such a spin disappearance effect, ruthenium (Ru), tantalum (Ta), tungsten (W), platinum (Pt), palladium (Pd), molybdenum ( A metal selected from the group consisting of Mo), niobium (Nb), zirconium (Zr), titanium (Ti) and vanadium (V), or an alloy containing two or more selected from these groups. it can.

第6非磁性層36の厚さは、1.4nm以上に設定することが望ましい。   The thickness of the sixth nonmagnetic layer 36 is desirably set to 1.4 nm or more.

第6非磁性層36の厚さが1.4nm以上であると、第6非磁性層36において、伝導電子が第6非磁性層36の内部及び界面を通過する際にスピン偏極度が消失する。第2磁性層20の磁化20mの向きにより第6磁性層60の歳差運動が変化することを、第6非磁性層36により防ぐことができる。   When the thickness of the sixth nonmagnetic layer 36 is 1.4 nm or more, in the sixth nonmagnetic layer 36, the spin polarization disappears when conduction electrons pass through the inside and the interface of the sixth nonmagnetic layer 36. . The sixth nonmagnetic layer 36 can prevent the precession of the sixth magnetic layer 60 from changing depending on the direction of the magnetization 20 m of the second magnetic layer 20.

一方、第6非磁性層36の厚さが20nmを超えると、多層膜のピラー形成が困難となる。さらに、第6磁性層60から発生する回転磁界の強度が、第2磁性層20の位置で減衰する。そのため、第6非磁性層36の厚さは、20nm以下に設定されることが望ましい。   On the other hand, if the thickness of the sixth nonmagnetic layer 36 exceeds 20 nm, it becomes difficult to form a pillar in the multilayer film. Furthermore, the strength of the rotating magnetic field generated from the sixth magnetic layer 60 is attenuated at the position of the second magnetic layer 20. Therefore, the thickness of the sixth nonmagnetic layer 36 is desirably set to 20 nm or less.

第6非磁性層36として、前述した単層膜の他に、積層膜を用いることができる。この積層膜は、例えば、ルテニウム(Ru)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、モリブデン(Mo)、ニオブ(Nb)、ジルコニウム(Zr)、チタン(Ti)及びバナジウム(V)よりなる群から選択された金属、または、その群から選択された2つ以上を含む合金を含む層と、その層の少なくとも片側に積層された銅(Cu)層と、の積層構成を有することができる。   As the sixth nonmagnetic layer 36, a laminated film can be used in addition to the single layer film described above. This laminated film includes, for example, ruthenium (Ru), tantalum (Ta), tungsten (W), platinum (Pt), palladium (Pd), molybdenum (Mo), niobium (Nb), zirconium (Zr), titanium (Ti ) And vanadium (V), or a layer containing an alloy containing two or more selected from the group, and a copper (Cu) layer laminated on at least one side of the layer, It can have the laminated structure of.

さらに、第6非磁性層36に用いられる積層膜は、例えば、ルテニウム(Ru)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、モリブデン(Mo)、ニオブ(Nb)、ジルコニウム(Zr)、チタン(Ti)及びバナジウム(V)よりなる群から選択された金属、または、その群から選択された2つ以上を含む合金を含む第1層と、第1層の少なくとも片側に積層され、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、チタン(Ti)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、タンタル(Ta)、タングステン(W)及びルテニウム(Ru)よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む酸化物を含む第2層と、を含む積層構成を有することができる。   Furthermore, the laminated film used for the sixth nonmagnetic layer 36 is, for example, ruthenium (Ru), tantalum (Ta), tungsten (W), platinum (Pt), palladium (Pd), molybdenum (Mo), niobium (Nb). ), A metal selected from the group consisting of zirconium (Zr), titanium (Ti) and vanadium (V), or an alloy containing two or more selected from the group, and a first layer comprising: Laminated on at least one side, aluminum (Al), magnesium (Mg), titanium (Ti), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), vanadium (V), chromium (Cr), tantalum (Ta) And a second layer containing an oxide containing at least one element selected from the group consisting of tungsten (W) and ruthenium (Ru). It can be.

図20(a)〜図20(j)は、第1の実施形態に係る別の磁気記憶素子を例示する模式的断面図である。
図20(a)〜図20(f)に示すように、磁気記憶素子121〜磁気記憶素子126では、第2磁性層20、第1非磁性層31、第1磁性層10、第6非磁性層36、第7磁性層70、第4非磁性層34及び第6磁性層60が、この順に積層されている。第2非磁性層32は、X軸方向において、第1磁性層10の少なくとも一部に重なる。このように、積層体SB0の積層順は、図20(a)〜図20(f)に示す順序でもよい。
FIG. 20A to FIG. 20J are schematic cross-sectional views illustrating other magnetic memory elements according to the first embodiment.
As shown in FIGS. 20A to 20F, in the magnetic memory element 121 to the magnetic memory element 126, the second magnetic layer 20, the first nonmagnetic layer 31, the first magnetic layer 10, and the sixth nonmagnetic element. The layer 36, the seventh magnetic layer 70, the fourth nonmagnetic layer 34, and the sixth magnetic layer 60 are laminated in this order. The second nonmagnetic layer 32 overlaps at least part of the first magnetic layer 10 in the X-axis direction. Thus, the stacking order of the stacked body SB0 may be the order shown in FIGS. 20 (a) to 20 (f).

磁気記憶素子121及び磁気記憶素子122では、第1磁性層10の磁化10mのZ軸方向の成分の向きが、第7磁性層70の磁化70mのZ軸方向の成分の向きに対して逆である。これにより、例えば、第2磁性層20の位置において、第1磁性層10の磁化10m及び第7磁性層70の磁化70mに起因する漏洩磁界の影響を抑えることができる。   In the magnetic memory element 121 and the magnetic memory element 122, the direction of the Z-axis direction component of the magnetization 10m of the first magnetic layer 10 is opposite to the direction of the Z-axis direction component of the magnetization 70m of the seventh magnetic layer 70. is there. Thereby, for example, at the position of the second magnetic layer 20, it is possible to suppress the influence of the leakage magnetic field caused by the magnetization 10 m of the first magnetic layer 10 and the magnetization 70 m of the seventh magnetic layer 70.

磁気記憶素子121及び磁気記憶素子122において、第1磁性層10と第7磁性層70とは、第6非磁性層36を介して反強磁性結合していても良い。このように、非磁性層を介して互いの磁化の方向が反強磁性結合し反平行となる構造は、シンセティックアンチフェロ(SAF:Synthetic Anti-Ferromagnetic)構造と呼ばれる。この例では、「第1の磁性層(例えば第1磁性層10)/非磁性層(例えば、第6非磁性層36)/第2の磁性層(例えば、第7磁性層70)」の積層構造が、SAF構造に対応する。   In the magnetic memory element 121 and the magnetic memory element 122, the first magnetic layer 10 and the seventh magnetic layer 70 may be antiferromagnetically coupled via the sixth nonmagnetic layer 36. Such a structure in which the directions of mutual magnetization are antiferromagnetically coupled and antiparallel via the nonmagnetic layer is called a synthetic anti-ferromagnetic (SAF) structure. In this example, a stack of “first magnetic layer (for example, first magnetic layer 10) / nonmagnetic layer (for example, sixth nonmagnetic layer 36) / second magnetic layer (for example, seventh magnetic layer 70)”. The structure corresponds to the SAF structure.

SAF構造を用いることにより、互いの磁化固定力が増強され、外部磁界に対する耐性、及び、熱的な安定性が向上する。この構造においては、磁気記憶層(例えば第2磁性層20)の位置において膜面に対して垂直な方向にかかる漏洩磁界を実質的にゼロにすることができる。   By using the SAF structure, the magnetization fixing force of each other is enhanced, and resistance to an external magnetic field and thermal stability are improved. In this structure, the leakage magnetic field applied in the direction perpendicular to the film surface at the position of the magnetic storage layer (for example, the second magnetic layer 20) can be made substantially zero.

SAF構造における非磁性層(中間層)には、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)またはオスミウム(Os)などの金属材料が用いられる。非磁性層の厚さは、例えば、3nm以下に設定される。これにより、非磁性層を介して十分強い反強磁性結合が得られる。   For the nonmagnetic layer (intermediate layer) in the SAF structure, a metal material such as ruthenium (Ru), iridium (Ir), or osmium (Os) is used. The thickness of the nonmagnetic layer is set to 3 nm or less, for example. Thereby, a sufficiently strong antiferromagnetic coupling can be obtained through the nonmagnetic layer.

第6非磁性層36は、例えば、ルテニウム(Ru)、オスミウム(Os)、及び、イリジウム(Ir)よりなる群から選択されたいずれかの金属、または、前記群から選択された少なくとも2つ以上の金属を含む合金を含む。第6非磁性層36の厚さは、例えば、3nm以下である。   The sixth nonmagnetic layer 36 is, for example, any metal selected from the group consisting of ruthenium (Ru), osmium (Os), and iridium (Ir), or at least two or more selected from the group Including alloys containing any of these metals. The thickness of the sixth nonmagnetic layer 36 is, for example, 3 nm or less.

磁気記憶素子123及び磁気記憶素子124では、第1磁性層10の磁化10mのZ軸方向の成分の向きが、第7磁性層70の磁化70mのZ軸方向の成分の向きに対して同じである。このように、磁化10mの向きは、磁化70mの向きと平行でもよい。   In the magnetic memory element 123 and the magnetic memory element 124, the direction of the Z-axis direction component of the magnetization 10m of the first magnetic layer 10 is the same as the direction of the Z-axis direction component of the magnetization 70m of the seventh magnetic layer 70. is there. Thus, the direction of the magnetization 10m may be parallel to the direction of the magnetization 70m.

磁気記憶素子125及び磁気記憶素子126では、磁化10mの向き及び磁化70mの向きが、Z軸方向に対して傾いている。磁化10mの向き及び磁化70mの向きは、Z軸方向に対して平行でなくてもよい。磁化10mの向き及び磁化70mの向きは、少なくともZ軸方向の成分を有している。   In the magnetic memory element 125 and the magnetic memory element 126, the direction of the magnetization 10m and the direction of the magnetization 70m are inclined with respect to the Z-axis direction. The direction of the magnetization 10m and the direction of the magnetization 70m may not be parallel to the Z-axis direction. The direction of the magnetization 10 m and the direction of the magnetization 70 m have at least a component in the Z-axis direction.

図20(g)及び図20(h)に表したように、磁気記憶素子127及び磁気記憶素子128では、第1磁性層10、第1非磁性層31、第2磁性層20、第6非磁性層36、第7磁性層70、第4非磁性層34及び第6磁性層60が、この順に積層される。このように、積層体SB0の積層順は、図20(g)及び図20(h)に示す順序でもよい。   As shown in FIG. 20G and FIG. 20H, in the magnetic memory element 127 and the magnetic memory element 128, the first magnetic layer 10, the first nonmagnetic layer 31, the second magnetic layer 20, the sixth non-magnetic layer. The magnetic layer 36, the seventh magnetic layer 70, the fourth nonmagnetic layer 34, and the sixth magnetic layer 60 are laminated in this order. Thus, the stacking order of the stacked body SB0 may be the order shown in FIGS. 20 (g) and 20 (h).

図20(i)及び図20(j)に表しように、磁気記憶素子129及び磁気記憶素子130では、第2磁性層20、第1非磁性層31、第1磁性層10、第6非磁性層36、第6磁性層60、第4非磁性層34及び第7磁性層70が、この順に積層される。このように、積層体SB0の積層順は、図20(i)及び図20(j)に示す順序でもよい。   As shown in FIGS. 20I and 20J, in the magnetic memory element 129 and the magnetic memory element 130, the second magnetic layer 20, the first nonmagnetic layer 31, the first magnetic layer 10, and the sixth nonmagnetic element. The layer 36, the sixth magnetic layer 60, the fourth nonmagnetic layer 34, and the seventh magnetic layer 70 are laminated in this order. Thus, the stacking order of the stacked body SB0 may be the order shown in FIG. 20 (i) and FIG. 20 (j).

磁気記憶素子123、124、127、128、129、または130において、第1導電層81と第2導電層82とを介して積層体SB0に書き込み電流Iを流す。書き込み電流Iの向きは任意である。第7磁性層70の磁化70mの向きに対して逆向きの磁界を印加することにより、第6磁性層60において発生する回転磁界の向きと、第2磁性層20磁化20mが歳差運動する向きと、を互いに一致させることができる。 In the magnetic memory element 123,124,127,128,129 or 130, a write current I W to the laminate SB0 through the first conductive layer 81 and the second conductive layer 82. The direction of the write current I W is optional. By applying a magnetic field opposite to the direction of the magnetization 70m of the seventh magnetic layer 70, the direction of the rotating magnetic field generated in the sixth magnetic layer 60 and the direction in which the second magnetic layer 20 magnetization 20m precesses. Can be matched to each other.

磁気記憶素子110及び磁気記憶素子116の積層順では、例えば、第2磁性層20と第6磁性層60との間に第7磁性層70を配置する構成などに比べて、第2磁性層20と第6磁性層60との間の距離が近い。これにより、第6磁性層60で発生した回転磁界を、より適切に第2磁性層20に作用させることができる。第2磁性層20における磁化反転をより効率的にアシストすることができる。   In the stacking order of the magnetic memory element 110 and the magnetic memory element 116, for example, the second magnetic layer 20 is compared with a configuration in which the seventh magnetic layer 70 is disposed between the second magnetic layer 20 and the sixth magnetic layer 60, for example. And the sixth magnetic layer 60 are close to each other. Thereby, the rotating magnetic field generated in the sixth magnetic layer 60 can be applied to the second magnetic layer 20 more appropriately. The magnetization reversal in the second magnetic layer 20 can be assisted more efficiently.

図21は、第1の実施形態に係る別の不揮発性記憶装置を例示する模式図である。
図21に示すように、不揮発性記憶装置612は、磁気記憶素子118と制御部550とを含む。磁気記憶素子118において、第2磁性層20は、第1部分21と第2部分22とを含む。これ以外は、磁気記憶素子118には、磁気記憶素子110について説明した構成を適用することができる。
FIG. 21 is a schematic view illustrating another nonvolatile memory device according to the first embodiment.
As shown in FIG. 21, the nonvolatile memory device 612 includes a magnetic memory element 118 and a control unit 550. In the magnetic memory element 118, the second magnetic layer 20 includes a first portion 21 and a second portion 22. Other than this, the configuration described for the magnetic memory element 110 can be applied to the magnetic memory element 118.

第1部分21の磁化21mの方向は、可変である。第2部分22は、Z軸方向において、第1部分21と重なる。第2部分22は、Z軸方向に第1部分21と積層される。この例では、第1磁性層10と第1部分21との間に第2部分22が設けられる。第1磁性層10と第2部分22との間に第1部分21を設けてもよい。第2部分22の磁化22mの方向は、可変である。第1部分21の磁化21mは、第2部分22の磁化22mと強磁性結合、反強磁性結合、あるいは静磁結合している。第2部分22の磁気共鳴周波数は、第1部分21の磁気共鳴周波数よりも低い。第1部分21の磁気共鳴周波数は、例えば、20GHz以上である。第2部分22の磁気共鳴周波数は、例えば、20GHz未満である。   The direction of the magnetization 21m of the first portion 21 is variable. The second portion 22 overlaps the first portion 21 in the Z-axis direction. The second portion 22 is stacked with the first portion 21 in the Z-axis direction. In this example, the second portion 22 is provided between the first magnetic layer 10 and the first portion 21. The first portion 21 may be provided between the first magnetic layer 10 and the second portion 22. The direction of the magnetization 22m of the second portion 22 is variable. The magnetization 21m of the first portion 21 is ferromagnetically coupled, antiferromagnetically coupled, or magnetostatically coupled to the magnetization 22m of the second portion 22. The magnetic resonance frequency of the second portion 22 is lower than the magnetic resonance frequency of the first portion 21. The magnetic resonance frequency of the first portion 21 is, for example, 20 GHz or more. The magnetic resonance frequency of the second portion 22 is, for example, less than 20 GHz.

第1部分21及び第2部分22には、例えば、合金が用いられる。第2部分22に含まれる少なくとも1つの元素の濃度は、第1部分21に含まれる同じ元素の濃度と異なる。第2部分22に含まれる合金の組成比は、第1部分21に含まれる合金の組成比と異なる。第2部分22は、例えば、第2磁性層20において、第1部分21と合金の組成比を変えた部分である。   For example, an alloy is used for the first portion 21 and the second portion 22. The concentration of at least one element contained in the second portion 22 is different from the concentration of the same element contained in the first portion 21. The composition ratio of the alloy included in the second portion 22 is different from the composition ratio of the alloy included in the first portion 21. The second portion 22 is, for example, a portion in the second magnetic layer 20 where the composition ratio of the first portion 21 and the alloy is changed.

第2部分22の材料は、第1部分21の材料と異なってもよい。この場合、第1部分21及び第2部分22は、それぞれ第2磁性層20に含まれる1つの層と見なすことができる。第2磁性層20は、第1層と第2層とを含む積層体でもよい。   The material of the second portion 22 may be different from the material of the first portion 21. In this case, each of the first portion 21 and the second portion 22 can be regarded as one layer included in the second magnetic layer 20. The second magnetic layer 20 may be a stacked body including a first layer and a second layer.

不揮発性記憶装置612においては、第1部分21の磁化21mと第2部分22の磁化22mとが、強磁性結合、反強磁性結合、あるいは静磁結合している。これにより、例えば、静磁状態における第2磁性層20のΔ値を大きくすることができる。例えば、熱擾乱耐性を高めることができる。磁気記憶素子110及び不揮発性記憶装置610の誤動作を抑制することができる。例えば、磁気記憶素子110の記憶保持時間を長時間化できる。   In the nonvolatile memory device 612, the magnetization 21m of the first portion 21 and the magnetization 22m of the second portion 22 are ferromagnetically coupled, antiferromagnetically coupled, or magnetostatically coupled. Thereby, for example, the Δ value of the second magnetic layer 20 in the magnetostatic state can be increased. For example, heat disturbance tolerance can be increased. Malfunctions of the magnetic memory element 110 and the nonvolatile memory device 610 can be suppressed. For example, the storage retention time of the magnetic storage element 110 can be extended.

Δ値とは、例えば、第2磁性層20の磁気異方性エネルギーと熱エネルギーとの比である。Δ値は、例えば、次の式で表すことができる。
Δ=Ku・V/K・T
上記の式において、「Ku」は、有効磁気異方性定数である。「V」は、第2磁性層20の体積である。Kはボルツマン定数である。「T」は、磁気記憶素子110の絶対温度である。
The Δ value is, for example, the ratio between the magnetic anisotropy energy and the thermal energy of the second magnetic layer 20. The Δ value can be expressed by the following equation, for example.
Δ = Ku · V / K B · T
In the above formula, “Ku” is an effective magnetic anisotropy constant. “V” is the volume of the second magnetic layer 20. K B is Boltzmann's constant. “T” is the absolute temperature of the magnetic memory element 110.

不揮発性記憶装置612においては、Z軸方向に第1積層部SB1及び第2積層部SB2に電流を流すことにより、スピン偏極した電子が第2磁性層20に作用する。不揮発性記憶装置612においては、第6磁性層60の磁化が歳差運動することにより発生する回転磁界を第2磁性層20に作用させる。これにより、第2磁性層20の第1部分21の磁化21mの方向及び第2部分22の磁化22mの方向が、電流の向きに応じた方向に決定される。   In the non-volatile memory device 612, spin-polarized electrons act on the second magnetic layer 20 by flowing current through the first stacked unit SB1 and the second stacked unit SB2 in the Z-axis direction. In the nonvolatile memory device 612, a rotating magnetic field generated by precessing the magnetization of the sixth magnetic layer 60 is applied to the second magnetic layer 20. Thereby, the direction of the magnetization 21m of the first portion 21 and the direction of the magnetization 22m of the second portion 22 of the second magnetic layer 20 are determined in accordance with the direction of the current.

第2磁性層20の第1部分21においては、例えば、第1部分21の磁化21mの方向は、膜面に対して略垂直方向で、Z軸方向と略平行である。第1部分21の磁化21mは、反転可能である。第1部分21は、データを記憶する役割をもつ。第1部分21は、例えば、磁気記憶層として機能する。   In the first portion 21 of the second magnetic layer 20, for example, the direction of the magnetization 21m of the first portion 21 is substantially perpendicular to the film surface and substantially parallel to the Z-axis direction. The magnetization 21m of the first portion 21 can be reversed. The first portion 21 has a role of storing data. The first portion 21 functions as, for example, a magnetic storage layer.

第2磁性層20の第2部分22においては、例えば、第2部分22の磁化22mの方向は、膜面に対して略垂直方向で、Z軸方向と略平行である。第2部分22の磁化22mは、反転可能である。第2部分22の磁化22mは、例えば、Z軸方向に電流が積層体SB0に流れた際に、第1部分21の磁化21mよりも早く磁化反転して、第1部分21の磁化21mの磁化反転をアシストする。第2部分22は、例えば、第1部分21の磁化反転のトリガとして機能する。第2部分22は、例えば、トリガ層と呼ぶ。   In the second portion 22 of the second magnetic layer 20, for example, the direction of the magnetization 22m of the second portion 22 is substantially perpendicular to the film surface and substantially parallel to the Z-axis direction. The magnetization 22m of the second portion 22 can be reversed. The magnetization 22m of the second portion 22 is, for example, a magnetization reversal earlier than the magnetization 21m of the first portion 21 when a current flows in the stacked body SB0 in the Z-axis direction, and the magnetization of the magnetization 21m of the first portion 21 Assists inversion. For example, the second portion 22 functions as a trigger for the magnetization reversal of the first portion 21. The second portion 22 is called a trigger layer, for example.

第2部分22もデータの記憶保持に寄与する。第2磁性層20を磁気記憶層とし、第1部分21を記憶保持の本体部分、第2部分22を磁化反転のトリガ部分と考えてもよい。   The second portion 22 also contributes to data storage retention. The second magnetic layer 20 may be a magnetic storage layer, the first portion 21 may be considered as a memory holding main body portion, and the second portion 22 as a magnetization reversal trigger portion.

例えば、不揮発性記憶装置612の幅(直径)を30nm以下とする。これにより、MRAMにおいて集積度を上げることができる。このとき、上述のΔ値(熱安定性定数)が小さいと、不揮発性記憶装置612が書き込まれたデータを保持し続けることができない場合がある。Δ値を大きくするために、例えば、有効磁気異方性定数Kuを大きくする。有効磁気異方性定数Kuが大きくなると、例えば有効磁気異方性磁界Hkも大きくなる。これにより、書き込み電流が大きくなり、共鳴周波数が高くなってしまう場合がある。   For example, the width (diameter) of the nonvolatile memory device 612 is set to 30 nm or less. Thereby, the integration degree can be increased in the MRAM. At this time, if the above-described Δ value (thermal stability constant) is small, the nonvolatile memory device 612 may not be able to keep the written data. In order to increase the Δ value, for example, the effective magnetic anisotropy constant Ku is increased. When the effective magnetic anisotropy constant Ku increases, for example, the effective magnetic anisotropy magnetic field Hk also increases. This may increase the write current and increase the resonance frequency.

不揮発性記憶装置612では、第2部分22によって第2磁性層20の磁気共鳴周波数が低減する。このため、低減した第2磁性層20の磁気共鳴周波数に応じた周波数の磁界を印加することで、第1部分21の磁化21m及び第2部分22の磁化22mが反転する。この場合、第1部分21単独の場合又は磁気共鳴周波数に応じた磁界を印加しない場合よりも、小さい電流で反転させることができる。第2部分22の磁気共鳴周波数は、例えば、20GHz未満であり、より好ましくは、15GHz以下である。第6磁性層60が発生する回転磁界の周波数を、例えば、20GHz未満とすることができる。これにより、例えば、第6磁性層60が発生する回転磁界の周波数と、磁化21m及び磁化22mの磁気共鳴周波数と、のマッチングが容易になる。例えば、磁気記憶素子110において、第1積層部SB1及び第2積層部SB2の設計の自由度を高めることができる。   In the nonvolatile memory device 612, the magnetic resonance frequency of the second magnetic layer 20 is reduced by the second portion 22. For this reason, the magnetization 21m of the 1st part 21 and the magnetization 22m of the 2nd part 22 are reversed by applying the magnetic field of the frequency according to the magnetic resonance frequency of the reduced 2nd magnetic layer 20. FIG. In this case, inversion can be performed with a smaller current than when the first portion 21 is used alone or when a magnetic field corresponding to the magnetic resonance frequency is not applied. The magnetic resonance frequency of the second portion 22 is, for example, less than 20 GHz, and more preferably 15 GHz or less. The frequency of the rotating magnetic field generated by the sixth magnetic layer 60 can be, for example, less than 20 GHz. Thereby, for example, matching between the frequency of the rotating magnetic field generated by the sixth magnetic layer 60 and the magnetic resonance frequency of the magnetization 21m and the magnetization 22m is facilitated. For example, in the magnetic memory element 110, the degree of freedom in designing the first stacked unit SB1 and the second stacked unit SB2 can be increased.

第2部分22には、例えば、ホイスラー合金を用いてもよい。例えば、第2部分22には、Co、Mn、Fe、Ni、Cu、Rh、Ru及びPdの少なくともいずれかを含むホイスラー合金を用いても良い。例えば、ホイスラー合金には、CoMnGa、CoMnAl、NiMnIn、NiMnGa、NiMnSn、PdMnSb、PdMnSn、CuMnAl、CuMnSn、CuMnIn、RhMnGe及びRhMnPbの少なくともいずれかを用いることができる。 For example, a Heusler alloy may be used for the second portion 22. For example, a Heusler alloy containing at least one of Co, Mn, Fe, Ni, Cu, Rh, Ru, and Pd may be used for the second portion 22. For example, the Heusler alloy, Co 2 MnGa, Co 2 MnAl , Ni 2 MnIn, Ni 2 MnGa, Ni 2 MnSn, Pd 2 MnSb, Pd 2 MnSn, Cu 2 MnAl, Cu 2 MnSn, Cu 2 MnIn, Rh 2 MnGe And Rh 2 MnPb can be used.

例えば、ホイスラー合金のスピン注入効率g(θ)は高く、低い共鳴周波数を得ることができる。これにより、例えば、第2磁性層20における磁化の反転電流を小さくすることができる。   For example, the spin injection efficiency g (θ) of the Heusler alloy is high, and a low resonance frequency can be obtained. Thereby, for example, the magnetization reversal current in the second magnetic layer 20 can be reduced.

これらのホイスラー合金においては、例えば、磁化Msは比較的小さい。例えば、磁化Msは、800emu/cc以下である。これにより、ホイスラー合金を用いた第2部分22の磁化によって生じる漏洩磁界を抑制することができる。   In these Heusler alloys, for example, the magnetization Ms is relatively small. For example, the magnetization Ms is 800 emu / cc or less. Thereby, the leakage magnetic field produced by the magnetization of the 2nd part 22 using a Heusler alloy can be suppressed.

図22は、第1の実施形態に係る別の磁気記憶素子を例示する模式的断面図である。
図22に示すように、不揮発性記憶装置613は、磁気記憶素子118aを含む。不揮発性記憶装置613は、制御部550(図22においては省略)をさらに含んでも良い。磁気記憶素子118aにおいては、第1積層部SB1の幅(Z軸方向に対して垂直な平面に沿って切断したときの断面形状)と、第2積層部SB2の幅と、は互いに異なる。これ以外は、磁気記憶素子118aには、磁気記憶素子110及び磁気記憶素子116と同様の構成を適用することができる。
FIG. 22 is a schematic cross-sectional view illustrating another magnetic memory element according to the first embodiment.
As shown in FIG. 22, the nonvolatile memory device 613 includes a magnetic memory element 118a. The nonvolatile storage device 613 may further include a control unit 550 (omitted in FIG. 22). In the magnetic memory element 118a, the width of the first stacked unit SB1 (cross-sectional shape when cut along a plane perpendicular to the Z-axis direction) and the width of the second stacked unit SB2 are different from each other. Other than this, the magnetic memory element 118a can have the same configuration as the magnetic memory element 110 and the magnetic memory element 116.

例えば、Z軸方向に対して垂直な平面に沿って切断したときの第1積層部SB1の断面積(第1面積S1)は、Z軸方向に対して垂直な平面に沿って切断したときの第2積層部SB2の断面積(第2面積S2)よりも大きい。   For example, the cross-sectional area (first area S1) of the first stacked unit SB1 when cut along a plane perpendicular to the Z-axis direction is the same as that when cut along a plane perpendicular to the Z-axis direction. It is larger than the cross-sectional area (second area S2) of the second stacked unit SB2.

これにより、例えば、第1導電層81及び第2導電層82を介して積層体SB0に電流を流すときに、第2積層部SB2における電流密度を、第1積層部SB1における電流密度よりも大きくすることができる。発振層(第6磁性層60)における電流密度を大きくすることができる。   Thereby, for example, when a current is passed through the stacked body SB0 via the first conductive layer 81 and the second conductive layer 82, the current density in the second stacked unit SB2 is larger than the current density in the first stacked unit SB1. can do. The current density in the oscillation layer (sixth magnetic layer 60) can be increased.

発振層における電流密度を大きくすることにより、例えば、より小さい電流で第6磁性層60の磁化60mを発振させる(歳差運動させる)ことができる。より小さい電流によって、磁化60mを発振させることができる。これにより、例えば、書き込み動作においてMTJに流す電流を小さくすることができる。   By increasing the current density in the oscillation layer, for example, the magnetization 60m of the sixth magnetic layer 60 can be oscillated (precessed) with a smaller current. With a smaller current, the magnetization 60m can be oscillated. Thereby, for example, the current flowing through the MTJ in the write operation can be reduced.

例えば、第2積層部SB2の幅(X軸方向に沿った長さ)は、25nm以下であることが望ましい。例えば、第1積層部SB1の第1面積S1は、第2積層部SB2の第2面積S2の2.0倍以上であることが望ましい。   For example, the width (the length along the X-axis direction) of the second stacked unit SB2 is desirably 25 nm or less. For example, the first area S1 of the first stacked unit SB1 is desirably 2.0 times or more the second area S2 of the second stacked unit SB2.

図23は、第1の実施形態に係る別の不揮発性記憶装置を例示する模式的断面図である。
図23に示すように、不揮発性記憶装置614は、磁気記憶素子118bを含む。不揮発性記憶装置614は、制御部550(図23では省略)をさらに含んでも良い。磁気記憶素子118bは、磁気シールド51を含む。積層体SB0は、Z軸方向に延びる側面SS0を有する。第1積層部SB1は、Z軸方向に延びる側面SS1(第1側面)を有する。第2積層部SB2は、Z軸方向に延びる側面SS2(第2側面)を有する。第6非磁性層36は、Z軸方向に延びる側面SSnを有する。ここで、「Z軸方向に延びる」には、Z軸方向に対して非平行な状態も含むものとする。「Z軸方向に延びる」は、少なくともZ軸方向に延びる成分を有している。「Z軸方向に延びる面」は、Z軸方向に対して直交しない。
FIG. 23 is a schematic cross-sectional view illustrating another nonvolatile memory device according to the first embodiment.
As shown in FIG. 23, the nonvolatile memory device 614 includes a magnetic memory element 118b. The nonvolatile storage device 614 may further include a control unit 550 (not shown in FIG. 23). The magnetic memory element 118 b includes a magnetic shield 51. The stacked body SB0 has a side surface SS0 extending in the Z-axis direction. The first stacked unit SB1 has a side surface SS1 (first side surface) extending in the Z-axis direction. The second stacked unit SB2 has a side surface SS2 (second side surface) extending in the Z-axis direction. The sixth nonmagnetic layer 36 has a side surface SSn extending in the Z-axis direction. Here, “extending in the Z-axis direction” includes a state non-parallel to the Z-axis direction. “Extending in the Z-axis direction” has at least a component extending in the Z-axis direction. The “plane extending in the Z-axis direction” is not orthogonal to the Z-axis direction.

磁気シールド51は、積層体SB0の側面SS0の少なくとも一部と重なる。磁気シールド51は、積層体SB0の側面SS0の少なくとも一部と対向する。例えば、磁気シールド51は、積層体SB0の側面SS0の少なくとも一部に接する。積層体SB0の側面SS0は、例えば、第1積層部SB1の側面SS1(第1側面)と、第2積層部SB2の側面SS2(第2側面)と、第6非磁性層36の側面SSnと、を含む。この例において、磁気シールド51は、側面SS1と側面SS2と側面SSnとを覆う。X−Y平面に投影した磁気シールド51の形状は、例えば、積層体SB0を囲む環状である。   The magnetic shield 51 overlaps at least a part of the side surface SS0 of the multilayer body SB0. The magnetic shield 51 faces at least a part of the side surface SS0 of the multilayer body SB0. For example, the magnetic shield 51 is in contact with at least a part of the side surface SS0 of the multilayer body SB0. The side surface SS0 of the stacked body SB0 includes, for example, the side surface SS1 (first side surface) of the first stacked unit SB1, the side surface SS2 (second side surface) of the second stacked unit SB2, and the side surface SSn of the sixth nonmagnetic layer 36. ,including. In this example, the magnetic shield 51 covers the side surface SS1, the side surface SS2, and the side surface SSn. The shape of the magnetic shield 51 projected onto the XY plane is, for example, an annular shape surrounding the stacked body SB0.

磁気記憶素子118bは、保護層52をさらに含む。保護層52は、積層体SB0の側面SS0と磁気シールド51との間に設けられる。保護層52の厚さは、第2磁性層20のZ軸方向の中心から第6磁性層60のZ軸方向の中心までのZ軸方向の距離と実質的に同じ長さか、それよりも長いことが望ましい。第2磁性層20のZ軸方向の中心と第6磁性層60のZ軸方向の中心との間のZ軸方向の距離は、例えば、磁気記憶素子118bの構成において短く、磁気記憶素子121〜磁気記憶素子126の構成において長い。保護層52の厚さは、例えば、2nm以上30nm以下であることが望ましい。磁気シールド51及び保護層52は、実施形態に係る任意の磁気記憶素子において設けてもよい。   The magnetic memory element 118b further includes a protective layer 52. The protective layer 52 is provided between the side surface SS0 of the multilayer body SB0 and the magnetic shield 51. The thickness of the protective layer 52 is substantially the same as or longer than the distance in the Z-axis direction from the center of the second magnetic layer 20 in the Z-axis direction to the center of the sixth magnetic layer 60 in the Z-axis direction. It is desirable. The distance in the Z-axis direction between the center in the Z-axis direction of the second magnetic layer 20 and the center in the Z-axis direction of the sixth magnetic layer 60 is short, for example, in the configuration of the magnetic memory element 118b. The configuration of the magnetic memory element 126 is long. The thickness of the protective layer 52 is desirably 2 nm or more and 30 nm or less, for example. The magnetic shield 51 and the protective layer 52 may be provided in any magnetic memory element according to the embodiment.

第2非磁性層32は、第1積層部SB1の側面SS1の少なくとも一部と重なる。第2非磁性層32は、X軸方向において、第1磁性層10の少なくとも一部と重なる。第2非磁性層32は、X軸方向において、第1磁性層10の少なくとも一部と保護層52との間に設けられる。   The second nonmagnetic layer 32 overlaps at least a part of the side surface SS1 of the first stacked unit SB1. The second nonmagnetic layer 32 overlaps at least part of the first magnetic layer 10 in the X-axis direction. The second nonmagnetic layer 32 is provided between at least a part of the first magnetic layer 10 and the protective layer 52 in the X-axis direction.

例えば、第1積層部SB1の側面SS1及び第2積層部SB2の側面SS2が、SiNやAlなどの保護層52を介して、パーマロイ(Py)などの磁気シールド51により覆われる。これにより、例えば、複数の磁気記憶素子118bが並べられた場合において、隣の磁気記憶素子118bからの漏洩磁界が、第1積層部SB1及び第2積層部SB2の動作に悪影響を与えることが抑制される。例えば、各記憶セル(積層体SB0)において、第1積層部SB1に作用する有効磁界が実質的に同じであるため、ビット間の反転電流のばらつきが抑制される。第2積層部SB2についても発振電流のばらつきが同様に抑えられる。第1積層部SB1及び第2積層部SB2からの漏洩磁界が、隣の磁気記憶素子に作用することを抑制することができる。その結果、複数の磁気記憶素子どうしを近接して配置することができ、集積度を向上することができる。例えば、不揮発性記憶装置の記憶密度が向上する。 For example, the side surface SS1 of the first stacked unit SB1 and the side surface SS2 of the second stacked unit SB2 are covered with a magnetic shield 51 such as permalloy (Py) via a protective layer 52 such as SiN or Al 2 O 3 . Thereby, for example, when a plurality of magnetic memory elements 118b are arranged, the leakage magnetic field from the adjacent magnetic memory element 118b is prevented from adversely affecting the operations of the first stacked unit SB1 and the second stacked unit SB2. Is done. For example, in each memory cell (stacked body SB0), the effective magnetic field acting on the first stacked unit SB1 is substantially the same, so that variation in reversal current between bits is suppressed. The variation in oscillation current is similarly suppressed for the second stacked unit SB2. It is possible to suppress the leakage magnetic field from the first stacked unit SB1 and the second stacked unit SB2 from acting on the adjacent magnetic memory element. As a result, a plurality of magnetic memory elements can be arranged close to each other, and the degree of integration can be improved. For example, the storage density of the nonvolatile storage device is improved.

磁気シールド51には、例えば、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)及びクロム(Cr)よりなる群から選択されたいずれかの金属、または、この群から選択された2つ以上の金属を含む合金が用いられる。磁気シールド51は、例えば、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)及びクロム(Cr)よりなる群から選択された少なくともいずれかの金属と、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、イリジウム(Ir)、ルテニウム(Ru)及びロジウム(Rh)よりなる群から選択された少なくともいずれかの金属と、を含む合金でもよい。   For the magnetic shield 51, for example, any metal selected from the group consisting of iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), manganese (Mn), and chromium (Cr), or selected from this group Alloys containing two or more metals that are made are used. The magnetic shield 51 includes, for example, at least one metal selected from the group consisting of iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), manganese (Mn), and chromium (Cr), platinum (Pt), An alloy containing at least one metal selected from the group consisting of palladium (Pd), iridium (Ir), ruthenium (Ru), and rhodium (Rh) may be used.

磁気シールド51に含まれる磁性材料の組成や熱処理の条件を調整することにより、磁気シールド51の特性を調整することができる。磁気シールド51は、例えば、TbFeCo及びGdFeCoなどの希土類−遷移金属のアモルファス合金でもよい。磁気シールド51には、Co/Pt、Co/Pd及びCo/Niなどの積層構造を用いてもよい。   The characteristics of the magnetic shield 51 can be adjusted by adjusting the composition of the magnetic material contained in the magnetic shield 51 and the conditions of the heat treatment. The magnetic shield 51 may be an amorphous alloy of a rare earth-transition metal such as TbFeCo and GdFeCo. The magnetic shield 51 may have a laminated structure such as Co / Pt, Co / Pd, and Co / Ni.

保護層52には、例えば、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)、タンタル(Ta)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、シリコン(Si)、マグネシウム(Mg)及び鉄(Fe)よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む、酸化物、窒化物または弗化物を用いることができる。保護層52には、例えば、SiNが用いられる。   The protective layer 52 includes, for example, aluminum (Al), titanium (Ti), zinc (Zn), zirconium (Zr), tantalum (Ta), cobalt (Co), nickel (Ni), silicon (Si), magnesium ( An oxide, nitride, or fluoride containing at least one element selected from the group consisting of Mg) and iron (Fe) can be used. For example, SiN is used for the protective layer 52.

以下、図23に例示した磁気記憶素子118bの製造方法の例について説明する。
ウェーハ上に下部電極(図示せず)を形成した後、そのウェーハを超高真空スパッタ装置内に配置する。下部電極上に、Ru/Ta(下部電極とのコンタクト層、兼ストッパ層)、FePt層(第1磁性層10)、MgO(第1非磁性層31)、CoFeB層(記憶層)、及び、その上にRu層(第6非磁性層36)を、この順に積層する。ここで、磁界中でアニールすることによって、CoFeBとFePt層/CoFeBの膜面垂直方向の磁気異方性の強さを調節することもできる。続いて、Py層/Cu/CoFeB/FePt層(磁界発生部)、及び、Ru/Ta層(上部コンタクト層)をこの順に積層する。これにより、加工体が形成される。
Hereinafter, an example of a method for manufacturing the magnetic memory element 118b illustrated in FIG. 23 will be described.
After forming a lower electrode (not shown) on the wafer, the wafer is placed in an ultra-high vacuum sputtering apparatus. On the lower electrode, Ru / Ta (contact layer and stopper layer with the lower electrode), FePt layer (first magnetic layer 10), MgO (first nonmagnetic layer 31), CoFeB layer (memory layer), and On top of this, a Ru layer (sixth nonmagnetic layer 36) is laminated in this order. Here, the strength of magnetic anisotropy in the direction perpendicular to the film surface of CoFeB and FePt layer / CoFeB can also be adjusted by annealing in a magnetic field. Subsequently, a Py layer / Cu / CoFeB / FePt layer (magnetic field generating portion) and a Ru / Ta layer (upper contact layer) are stacked in this order. Thereby, a processed body is formed.

次に、EBレジストを塗布してEB露光を行い、直径30nmのレジストマスクを形成する。イオンミリングによってレジストで被覆されていない部分を、ストッパ層を兼ねた下部電極上のTa層が露出するまで削る。   Next, an EB resist is applied and EB exposure is performed to form a resist mask having a diameter of 30 nm. The portion not covered with the resist by ion milling is scraped until the Ta layer on the lower electrode that also serves as the stopper layer is exposed.

続いて、保護層52としてSiN層を形成した後、磁気シールド51として機能するPy層を形成する。エッチバックにより、Py層が磁気記憶素子の側壁に残るようにする。   Subsequently, after a SiN layer is formed as the protective layer 52, a Py layer that functions as the magnetic shield 51 is formed. The Py layer is left on the side wall of the magnetic memory element by etch back.

次に、磁気記憶素子を絶縁埋め込みするSiO膜を成膜する。これにより、磁気記憶素子が絶縁で埋め込まれる。この後、CMP等で平坦化した後、RIE等で全面をエッチングすることで電極とのコンタクト層が露出する。 Next, a SiO 2 film for insulatingly embedding the magnetic memory element is formed. Thereby, the magnetic memory element is embedded with insulation. Then, after flattening by CMP or the like, the contact layer with the electrode is exposed by etching the entire surface by RIE or the like.

さらに全面にレジストを塗布し、このレジストを上部電極の位置にレジストが被覆されない部分ができるように、ステッパ露光装置を用いてパターニングする。上部電極に対応した開口をCuで埋め込み成膜し、レジストを除去する。上部電極には、図示しない配線を設けて電気的入出力ができるようにする。
以上により、磁気記憶素子614が形成される。
Further, a resist is applied to the entire surface, and this resist is patterned using a stepper exposure apparatus so that a portion not covered with the resist is formed at the position of the upper electrode. An opening corresponding to the upper electrode is filled with Cu to form a film, and the resist is removed. The upper electrode is provided with a wiring (not shown) so that electrical input / output can be performed.
Thus, the magnetic memory element 614 is formed.

(第2の実施形態)
図24は、第2の実施形態に係る不揮発性記憶装置を例示する模式図である。
図24に示すように、本実施形態に係る不揮発性記憶装置620は、メモリセルアレイMCAを備える。メモリセルアレイMCAは、マトリクス状に配列された複数のメモリセルMCを有する。メモリセルMCのそれぞれは、第1の実施形態に係る磁気記憶素子のいずれかを、MTJ素子(積層体SB0)として有する。
(Second Embodiment)
FIG. 24 is a schematic view illustrating the nonvolatile memory device according to the second embodiment.
As shown in FIG. 24, the nonvolatile memory device 620 according to this embodiment includes a memory cell array MCA. The memory cell array MCA has a plurality of memory cells MC arranged in a matrix. Each of the memory cells MC has one of the magnetic memory elements according to the first embodiment as an MTJ element (stacked body SB0).

メモリセルアレイMCAには、複数のビット線対(ビット線BL及びビット線/BL)及び、複数のワード線WLが配置されている。複数のビット線対のそれぞれは、列(カラム)方向に延在する。複数のワード線WLのそれぞれは、行(ロウ)方向に延在する。   In the memory cell array MCA, a plurality of bit line pairs (bit line BL and bit line / BL) and a plurality of word lines WL are arranged. Each of the plurality of bit line pairs extends in the column direction. Each of the plurality of word lines WL extends in the row (row) direction.

ビット線BLとワード線WLとの交差部分に、メモリセルMCが配置される。メモリセルMCのそれぞれは、MTJ素子と選択トランジスタTRとを有する。MTJ素子の一端は、ビット線BLと接続されている。MTJ素子の他端は、選択トランジスタTRのドレイン端子と接続されている。選択トランジスタTRのゲート端子は、ワード線WLと接続されている。選択トランジスタTRのソース端子は、ビット線/BLと接続されている。   Memory cells MC are arranged at the intersections between the bit lines BL and the word lines WL. Each of the memory cells MC includes an MTJ element and a selection transistor TR. One end of the MTJ element is connected to the bit line BL. The other end of the MTJ element is connected to the drain terminal of the selection transistor TR. The gate terminal of the selection transistor TR is connected to the word line WL. The source terminal of the selection transistor TR is connected to the bit line / BL.

ワード線WLには、ロウデコーダ621が接続されている。ビット線対(ビット線BL及びビット線/BL)には、書き込み回路622a及び読み出し回路622bが接続されている。書き込み回路622a及び読み出し回路622bには、カラムデコーダ623が接続されている。   A row decoder 621 is connected to the word line WL. A write circuit 622a and a read circuit 622b are connected to the bit line pair (bit line BL and bit line / BL). A column decoder 623 is connected to the writing circuit 622a and the reading circuit 622b.

メモリセルMCのそれぞれは、ロウデコーダ621及びカラムデコーダ623により選択される。メモリセルMCへのデータ書き込みの例は、以下である。まず、データ書き込みを行うメモリセルMCを選択するために、このメモリセルMCと接続されたワード線WLが活性化される。これにより、選択トランジスタTRがオンする。   Each memory cell MC is selected by a row decoder 621 and a column decoder 623. An example of data writing to the memory cell MC is as follows. First, in order to select a memory cell MC for writing data, a word line WL connected to the memory cell MC is activated. As a result, the selection transistor TR is turned on.

この例では、例えば、ロウデコーダ621、書き込み回路622a、読み出し回路622b、及び、カラムデコーダ623によって、制御部550が構成される。制御部550は、ビット線BL、ワード線WL及び選択トランジスタTRなどを介して、複数のメモリセルMC(複数の磁気記憶素子)のそれぞれと電気的に接続される。制御部550は、複数のメモリセルMCのそれぞれにおいて、データの書き込み及びデータの読み出しを実施する。   In this example, for example, the control unit 550 includes the row decoder 621, the write circuit 622a, the read circuit 622b, and the column decoder 623. The control unit 550 is electrically connected to each of a plurality of memory cells MC (a plurality of magnetic memory elements) via the bit line BL, the word line WL, the selection transistor TR, and the like. The control unit 550 performs data writing and data reading in each of the plurality of memory cells MC.

MTJ素子には、例えば、双方向の書き込み電流が供給される。具体的には、MTJ素子に左から右へ書き込み電流を供給する場合、書き込み回路622aは、ビット線BLに正の電位を印加し、ビット線/BLに接地電位を印加する。MTJ素子に右から左へ書き込み電流を供給する場合、書き込み回路622aは、ビット線/BLに正の電位を印加し、ビット線BLに接地電位を印加する。このようにして、メモリセルMCに、データ「0」、または、データ「1」を書き込むことができる。   For example, a bidirectional write current is supplied to the MTJ element. Specifically, when a write current is supplied to the MTJ element from left to right, the write circuit 622a applies a positive potential to the bit line BL and applies a ground potential to the bit line / BL. When supplying a write current from right to left to the MTJ element, the write circuit 622a applies a positive potential to the bit line / BL and applies a ground potential to the bit line BL. In this way, data “0” or data “1” can be written into the memory cell MC.

メモリセルMCからのデータ読み出しの例は、以下である。まず、メモリセルMCが選択される。読み出し回路622bは、MTJ素子に、例えば、選択トランジスタTRからMTJ素子に向かう方向に流れる読み出し電流を供給する。そして、読み出し回路622bは、この読み出し電流に基づいて、MTJ素子の抵抗値を検出する。このようにして、MTJ素子に記憶された情報を読み出すことができる。   An example of reading data from the memory cell MC is as follows. First, the memory cell MC is selected. The read circuit 622b supplies, to the MTJ element, for example, a read current that flows in a direction from the selection transistor TR to the MTJ element. Then, the read circuit 622b detects the resistance value of the MTJ element based on this read current. In this way, information stored in the MTJ element can be read.

図25は、第2の実施形態に係る不揮発性記憶装置を例示する模式図である。
図25は、1つのメモリセルMCの部分を例示している。この例では、磁気記憶素子110及び磁気記憶素子116が用いられているが、実施形態に係る任意の磁気記憶素子を用いることができる。
FIG. 25 is a schematic view illustrating the nonvolatile memory device according to the second embodiment.
FIG. 25 illustrates a portion of one memory cell MC. In this example, the magnetic memory element 110 and the magnetic memory element 116 are used, but any magnetic memory element according to the embodiment can be used.

図25に示すように、不揮発性記憶装置620は、実施形態に係る磁気記憶素子(例えば磁気記憶素子110及び磁気記憶素子116)と、第1配線91と、第2配線92と、を備える。第1配線91は、磁気記憶素子110の一端(例えば第1積層部SB1の端)と、直接または間接に接続される。第2配線92は、磁気記憶素子116の一端(例えば第2積層部SB2の端)に直接または間接に接続される。   As illustrated in FIG. 25, the nonvolatile memory device 620 includes the magnetic memory element (for example, the magnetic memory element 110 and the magnetic memory element 116) according to the embodiment, the first wiring 91, and the second wiring 92. The first wiring 91 is directly or indirectly connected to one end of the magnetic memory element 110 (for example, the end of the first stacked unit SB1). The second wiring 92 is directly or indirectly connected to one end of the magnetic memory element 116 (for example, the end of the second stacked unit SB2).

不揮発性記憶装置620に含まれる磁気記憶素子は、磁気記憶素子110及び磁気記憶素子116に限らず、第1の実施形態に記載された磁気記憶素子のいずれかを含む。   The magnetic memory element included in the nonvolatile memory device 620 is not limited to the magnetic memory element 110 and the magnetic memory element 116, and includes any one of the magnetic memory elements described in the first embodiment.

ここで、「直接に接続される」は、間に他の導電性の部材(例えばビア電極や配線など)が挿入されないで電気的に接続される状態を含む。「間接に接続される」は、間に他の導電性の部材(例えばビア電極や配線など)が挿入されて電気的に接続される状態、及び、間にスイッチ(例えばトランジスタなど)が挿入されて、導通と非導通とが可変の状態で接続される状態を含む。   Here, “directly connected” includes a state in which other conductive members (for example, via electrodes and wirings) are electrically connected without being inserted therebetween. “Indirectly connected” means a state in which another conductive member (for example, a via electrode or wiring) is inserted and electrically connected, and a switch (for example, a transistor) is inserted in between. Thus, it includes a state where conduction and non-conduction are connected in a variable state.

第1配線91及び第2配線92のいずれか一方は、例えば、ビット線BLに対応する。第1配線91及び第2配線92のいずれか他方は、例えば、ビット線/BLに対応する。   One of the first wiring 91 and the second wiring 92 corresponds to, for example, the bit line BL. One of the first wiring 91 and the second wiring 92 corresponds to, for example, the bit line / BL.

図25に示すように、不揮発性記憶装置620は、選択トランジスタTRをさらに備えることができる。選択トランジスタTRは、磁気記憶素子110と第1配線91との間(第1の位置)、及び、磁気記憶素子110と第2配線92の間(第2の位置)の少なくともいずれかに設けられる。   As shown in FIG. 25, the nonvolatile memory device 620 may further include a selection transistor TR. The selection transistor TR is provided at least between the magnetic memory element 110 and the first wiring 91 (first position) and between the magnetic memory element 110 and the second wiring 92 (second position). .

このような構成により、メモリセルアレイMCAの任意のメモリセルMC(例えば磁気記憶素子110)にデータを書き込み、磁気記憶素子110に書き込まれたデータを読み出すことができる。このように構成された不揮発性記憶装置620においても、第2磁性層20と第6磁性層60とを静磁結合させることで、書き込み電流を小さくすることができる。これにより、絶縁破壊による故障を抑制することができ、信頼性が向上する。   With such a configuration, data can be written to any memory cell MC (for example, the magnetic memory element 110) of the memory cell array MCA, and data written to the magnetic memory element 110 can be read. Also in the nonvolatile memory device 620 configured as described above, the write current can be reduced by magnetostatically coupling the second magnetic layer 20 and the sixth magnetic layer 60. Thereby, the failure by a dielectric breakdown can be suppressed and reliability improves.

(第3の実施形態)
図26(a)〜図26(c)は、第3の実施形態に係る不揮発性記憶装置を例示する模式図である。
図26(a)は、斜視図である。図26(b)は、図26(a)の側面図である。 図26(c)は、図26(a)の上面図である。
(Third embodiment)
FIG. 26A to FIG. 26C are schematic views illustrating the nonvolatile memory device according to the third embodiment.
FIG. 26A is a perspective view. FIG. 26B is a side view of FIG. FIG. 26C is a top view of FIG.

不揮発性記憶装置640は、選択トランジスタTRと、ビット線/BLと、ビット線BLと、MTJ素子150と、を含む。   Nonvolatile memory device 640 includes select transistor TR, bit line / BL, bit line BL, and MTJ element 150.

図26(a)〜図26(c)に示すように、選択トランジスタTRは、ワード線WLの一部と、ソース領域Scと、ドレイン領域Dnと、を含む。ワード線WLは、例えば、X軸方向に延びる。   As shown in FIGS. 26A to 26C, the select transistor TR includes a part of the word line WL, a source region Sc, and a drain region Dn. For example, the word line WL extends in the X-axis direction.

ビット線/BLは、ワード線WLと交差する。ビット線/BLは、例えば、Y軸方向に延びる。ビット線/BLの一部は、コンタクト400と電気的に接続される。コンタクト400は、Z軸方向に延びる。コンタクト400は、配線401の一部と電気的に接続される。配線401は、X軸方向に延びる。配線401の一部は、コンタクト402と電気的に接続される。コンタクト402は、Z軸方向に延びる。コンタクト402は、ソース領域Scと電気的に接続される。   Bit line / BL intersects word line WL. For example, the bit line / BL extends in the Y-axis direction. A part of bit line / BL is electrically connected to contact 400. The contact 400 extends in the Z-axis direction. The contact 400 is electrically connected to a part of the wiring 401. The wiring 401 extends in the X-axis direction. A part of the wiring 401 is electrically connected to the contact 402. The contact 402 extends in the Z-axis direction. Contact 402 is electrically connected to source region Sc.

ビット線BLは、ワード線WLと交差する。ビット線BLは、例えば、Y軸方向に延びる。ビット線BLは、X軸方向において、ビット線/BLに並ぶ。   The bit line BL intersects with the word line WL. For example, the bit line BL extends in the Y-axis direction. The bit line BL is aligned with the bit line / BL in the X-axis direction.

第1の実施形態に係る磁気記憶素子のいずれかを、MTJ素子150とする。例えば、MTJ素子150は、第2磁性層20と、配線450と、を含む。配線450は、上記の第1磁性層10、第3磁性層30、第3非磁性層33及び第7磁性層70を含む。配線450は、例えば、Y軸方向に延びる。配線450は、ビット線BLと電気的に接続される。配線450は、例えば、Z軸方向において、ビット線BLの一部と重なる。配線は、例えば、コンタクト451を介してビット線BLと電気的に接続されてもよい。コンタクト451は、Z軸方向に延びる。   One of the magnetic memory elements according to the first embodiment is referred to as an MTJ element 150. For example, the MTJ element 150 includes the second magnetic layer 20 and a wiring 450. The wiring 450 includes the first magnetic layer 10, the third magnetic layer 30, the third nonmagnetic layer 33, and the seventh magnetic layer 70. For example, the wiring 450 extends in the Y-axis direction. The wiring 450 is electrically connected to the bit line BL. For example, the wiring 450 overlaps part of the bit line BL in the Z-axis direction. For example, the wiring may be electrically connected to the bit line BL via the contact 451. The contact 451 extends in the Z-axis direction.

第2磁性層20は、Z軸方向において、配線450の一部と、配線460の一部との間に設けられる。第2磁性層20は、例えば、第1非磁性層(図示しない)を介して、配線450に接続される。第2磁性層20は、例えば、配線460と電気的に接続される。   The second magnetic layer 20 is provided between a part of the wiring 450 and a part of the wiring 460 in the Z-axis direction. The second magnetic layer 20 is connected to the wiring 450 through, for example, a first nonmagnetic layer (not shown). The second magnetic layer 20 is electrically connected to the wiring 460, for example.

配線460は、ビット線/BL及びビット線BLと交差する。配線460は、X軸方向に延びる。配線460の一部は、コンタクト461と電気的に接続される。コンタクト461は、Z軸方向に延びる。コンタクト461は、例えば、Y軸方向において、コンタクト402に並ぶ。コンタクト461は、ドレイン領域Dnの一部と電気的に接続される。   The wiring 460 intersects with the bit line / BL and the bit line BL. The wiring 460 extends in the X-axis direction. A part of the wiring 460 is electrically connected to the contact 461. The contact 461 extends in the Z-axis direction. For example, the contact 461 is aligned with the contact 402 in the Y-axis direction. Contact 461 is electrically connected to a part of drain region Dn.

実施形態によれば、信頼性の高い磁気記憶素子及び不揮発性記憶装置が提供される。   According to the embodiment, a highly reliable magnetic memory element and nonvolatile memory device are provided.

本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれば良い。
本願明細書において、積層されている状態は、直接接して重ねられる状態の他に、間に他の要素が挿入されて重ねられる場合も含む。
In the present specification, “vertical” and “parallel” include not only strict vertical and strict parallel, but also include variations in the manufacturing process, for example, and may be substantially vertical and substantially parallel. .
In the specification of the present application, the state of being stacked includes not only the state of being stacked in direct contact but also the case of being stacked with another element inserted therebetween.

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、不揮発性記憶装置に含まれる記憶部、磁気記憶素子、制御部、積層体、磁化回転層、第1〜第4磁性層及び第1〜第3非磁性層などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。   The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, embodiments of the present invention are not limited to these specific examples. For example, specific elements of the storage unit, magnetic storage element, control unit, stacked body, magnetization rotation layer, first to fourth magnetic layers, and first to third nonmagnetic layers included in the nonvolatile storage device Concerning configurations, those skilled in the art can appropriately select from the well-known ranges to implement the present invention in the same manner, and are included in the scope of the present invention as long as similar effects can be obtained.

各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。   Combinations of any two or more elements of each specific example within the technically possible range are also included in the scope of the present invention as long as they include the gist of the present invention.

その他、本発明の実施形態として上述した磁気記憶素子及び不揮発性記憶装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての磁気記憶素子及び不揮発性記憶装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。   In addition, all magnetic memory elements and nonvolatile memory devices that can be implemented by those skilled in the art based on the magnetic memory elements and nonvolatile memory devices described above as embodiments of the present invention are also included in the gist of the present invention. As long as it is included in the scope of the present invention.

その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。   In addition, in the category of the idea of the present invention, those skilled in the art can conceive of various changes and modifications, and it is understood that these changes and modifications also belong to the scope of the present invention. .

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.

10…第1磁性層、 10F…第1磁性膜、 10L…長さ、 10c…領域、 10d…部分、 10h…凹部、 10m…磁化、 10s…面、 10w…側面、 18…第8磁性層、 18m…磁化、 18s…主面、 20…第2磁性層、 20F…第2磁性膜、 20L…長さ、 20m…磁化、 21、22…第1、第2部分、 21m、22m…磁化、 30…第3磁性層、 30m…磁化、 31…第1非磁性層、 31F…第1非磁性膜、 31a…領域、 32…第2非磁性層、 32F、32F2、32F3…第2非磁性膜、 32a、32b…第1、第2部分領域、 32h…凹部、 32iw…内側面、 32t…上面、 33…第3非磁性層、 34…第4非磁性層、 35…第5非磁性層、 36…第6非磁性層、 40…第4磁性層、 40m…磁化、 50…第5磁性層、 50m…磁化、 50s…主面、 51…磁気シールド、 52…保護層、 60…第6磁性層、 60m…磁化、 70…第7磁性層、 70m…磁化、 72…磁化、 72a…垂直磁化成分、 72b…面内磁化成分、 81…第1導電層、 82…第2導電層、 86A、86B…マスク、 86h…開口部、 87A、87B…マスク、 87w…側面、 91…第1配線、 92…第2配線、 110、111、111A、111B、112〜118、118a、118b、121〜130…磁気記憶素子、 150…MTJ素子、 200、200F、200F1、200F2…層間絶縁膜、 400、402、451、461…コンタクト、 401、450、460…配線、 550…制御部、 610〜614、620、640…不揮発性記憶装置、 621…ロウデコーダ、 622a…書き込み回路、 622b…読み出し回路、 623…カラムデコーダ、 /BL、BL…ビット線、 Dn…ドレイン領域、 J…電流密度、 Lx、Ly…長さ、 MC…メモリセル、 MCA…メモリセルアレイ、 Pw…書き込み確率、 SB0…積層体、 SB1…第1積層部、 SB2…第2積層部、 SD1…積層方向、 SD2…面内方向、 SS0、SS1、SS2、SSn…側面、 Sc…ソース領域、 TR…選択トランジスタ、 WL…ワード線、 e1、e2…電子電流、 e3…センス電流   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... 1st magnetic layer, 10F ... 1st magnetic film, 10L ... Length, 10c ... Area | region, 10d ... Part, 10h ... Recessed part, 10m ... Magnetization, 10s ... Surface, 10w ... Side surface, 18 ... 8th magnetic layer, 18m ... magnetization, 18s ... main surface, 20 ... second magnetic layer, 20F ... second magnetic film, 20L ... length, 20m ... magnetization, 21, 22 ... first and second parts, 21m, 22m ... magnetization, 30 ... 3rd magnetic layer, 30m ... Magnetization, 31 ... 1st nonmagnetic layer, 31F ... 1st nonmagnetic film, 31a ... Area | region, 32 ... 2nd nonmagnetic layer, 32F, 32F2, 32F3 ... 2nd nonmagnetic film, 32a, 32b ... 1st, 2nd partial area, 32h ... Recessed part, 32iw ... Inner side surface, 32t ... Upper surface, 33 ... 3rd nonmagnetic layer, 34 ... 4th nonmagnetic layer, 35 ... 5th nonmagnetic layer, 36 ... 6th nonmagnetic layer, 40 ... 4th magnetism , 40 m: magnetization, 50: fifth magnetic layer, 50 m: magnetization, 50 s: main surface, 51: magnetic shield, 52: protective layer, 60: sixth magnetic layer, 60 m: magnetization, 70: seventh magnetic layer, 70 m ... Magnetization, 72 ... Magnetization, 72a ... Perpendicular magnetization component, 72b ... In-plane magnetization component, 81 ... First conductive layer, 82 ... Second conductive layer, 86A, 86B ... Mask, 86h ... Opening, 87A, 87B ... Mask 87w ... side surface, 91 ... first wiring, 92 ... second wiring, 110, 111, 111A, 111B, 112-118, 118a, 118b, 121-130 ... magnetic memory element, 150 ... MTJ element, 200, 200F, 200F1, 200F2 ... interlayer insulating film, 400, 402, 451, 461 ... contact, 401, 450, 460 ... wiring, 550 ... control unit, 610-614, 620, 640 ... non-volatile memory device, 621 ... row decoder, 622 a ... write circuit, 622 b ... read circuit, 623 ... column decoder, / BL, BL ... bit line, Dn ... drain region, J ... current density , Lx, Ly ... length, MC ... memory cell, MCA ... memory cell array, Pw ... write probability, SB0 ... stacked body, SB1 ... first stacked section, SB2 ... second stacked section, SD1 ... stacked direction, SD2 ... surface Inward direction, SS0, SS1, SS2, SSn ... side face, Sc ... source region, TR ... selection transistor, WL ... word line, e1, e2 ... electron current, e3 ... sense current

本発明の実施形態によれば、磁気記憶素子は、第1磁性層と、第2磁性層と、第1非磁性層と、第2非磁性層と、を含む。前記第1非磁性層は、前記第1磁性層と前記第2磁性層との間に設けられる。第1方向は、前記第1磁性層から前記第2磁性層に向かう方向である。前記第2非磁性層の少なくとも一部は、前記第1方向に対して直交する第2方向において、前記第1磁性層の少なくとも一部と重なる。前記第2非磁性層は、前記第1磁性層と電気的に接続され、Ti、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W及びPtからなる群から選択される少なくとも1つを含む。前記第1磁性層の磁化は実質的に固定され、前記第2磁性層の磁化の方向は可変である。
本発明の実施形態によれば、磁気記憶素子は、第1磁性層と、第2磁性層と、第1非磁性層と、第2非磁性層と、を含む。前記第1非磁性層は、前記第1磁性層と前記第2磁性層との間に設けられる。前記第2非磁性層は、前記第1磁性層と電気的に接続され、Ti、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W及びPtからなる群から選択される少なくとも1つを含む。前記第2非磁性層は、前記第1磁性層から前記第2磁性層に向かう第1方向に対して直交する第2方向において、前記第1磁性層と対向する面を有する。前記第1磁性層の磁化は実質的に固定され、前記第2磁性層の磁化の方向は可変である。
According to the embodiment of the present invention, the magnetic memory element includes a first magnetic layer, a second magnetic layer, a first nonmagnetic layer, and a second nonmagnetic layer. The first nonmagnetic layer is provided between the first magnetic layer and the second magnetic layer. The first direction is a direction from the first magnetic layer toward the second magnetic layer. At least a part of the second nonmagnetic layer overlaps at least a part of the first magnetic layer in a second direction orthogonal to the first direction. The second nonmagnetic layer is electrically connected to the first magnetic layer and includes at least one selected from the group consisting of Ti, V, Nb, Mo, Ru, Pd, Ta, W, and Pt . The magnetization of the first magnetic layer is substantially fixed, and the magnetization direction of the second magnetic layer is variable.
According to the embodiment of the present invention, the magnetic memory element includes a first magnetic layer, a second magnetic layer, a first nonmagnetic layer, and a second nonmagnetic layer. The first nonmagnetic layer is provided between the first magnetic layer and the second magnetic layer. The second nonmagnetic layer is electrically connected to the first magnetic layer and includes at least one selected from the group consisting of Ti, V, Nb, Mo, Ru, Pd, Ta, W, and Pt. The second nonmagnetic layer has a surface facing the first magnetic layer in a second direction orthogonal to the first direction from the first magnetic layer toward the second magnetic layer. The magnetization of the first magnetic layer is substantially fixed, and the magnetization direction of the second magnetic layer is variable.

Claims (10)

第1磁性層と、
第2磁性層と、
前記第1磁性層と前記第2磁性層との間に設けられた第1非磁性層と、
前記第1磁性層と電気的に接続された第2非磁性層と、
を備え、
前記第2非磁性層の少なくとも一部は、前記第1磁性層から前記第2磁性層に向かう第1方向に対して直交する第2方向において、前記第1磁性層の少なくとも一部と重なり、
前記第1磁性層の磁化は実質的に固定され、
前記第2磁性層の磁化の方向は可変である、磁気記憶素子。
A first magnetic layer;
A second magnetic layer;
A first nonmagnetic layer provided between the first magnetic layer and the second magnetic layer;
A second nonmagnetic layer electrically connected to the first magnetic layer;
With
At least a part of the second nonmagnetic layer overlaps with at least a part of the first magnetic layer in a second direction orthogonal to the first direction from the first magnetic layer toward the second magnetic layer,
The magnetization of the first magnetic layer is substantially fixed;
A magnetic memory element, wherein the direction of magnetization of the second magnetic layer is variable.
前記第1磁性層の前記第1方向に沿った磁化成分は、前記第2方向における前記第1磁性層の磁化成分よりも大きい、請求項1記載の磁気記憶素子。   2. The magnetic memory element according to claim 1, wherein a magnetization component along the first direction of the first magnetic layer is larger than a magnetization component of the first magnetic layer in the second direction. 前記第2非磁性層は、前記第2方向において、前記第2磁性層と重ならない、請求項1または2に記載の磁気記憶素子。   The magnetic memory element according to claim 1, wherein the second nonmagnetic layer does not overlap the second magnetic layer in the second direction. 前記第2非磁性層は、前記第1磁性層に接する、請求項1〜3のいずれか1つに記載の磁気記憶素子。   The magnetic memory element according to claim 1, wherein the second nonmagnetic layer is in contact with the first magnetic layer. 前記第1方向及び前記第2方向と交差する第3方向における前記第1磁性層の長さは、前記第2方向における前記第1磁性層の長さよりも長い、請求項1〜4のいずれか1つに記載の磁気記憶素子。   5. The length of the first magnetic layer in the third direction intersecting the first direction and the second direction is longer than the length of the first magnetic layer in the second direction. The magnetic memory element according to one. 前記第3方向において前記第2磁性層と離間して設けられた第3磁性層をさらに備え、
前記第3磁性層は、前記第1方向において前記第1磁性層と離間して設けられ、
前記第3磁性層の磁化の方向は、可変である、請求項5記載の磁気記憶素子。
A third magnetic layer provided apart from the second magnetic layer in the third direction;
The third magnetic layer is provided apart from the first magnetic layer in the first direction;
The magnetic memory element according to claim 5, wherein the magnetization direction of the third magnetic layer is variable.
前記第1方向において、前記第1非磁性層と前記第2磁性層との間、及び、前記第1非磁性層と前記第1磁性層との間の少なくともいずれかに設けられた第4磁性層をさらに備えた請求項1〜6のいずれか1つに記載の磁気記憶素子。   A fourth magnetic layer provided in at least one of the first nonmagnetic layer and the second magnetic layer and between the first nonmagnetic layer and the first magnetic layer in the first direction; The magnetic memory element according to claim 1, further comprising a layer. 前記第1方向において、前記第1非磁性層と前記第1磁性層との間に設けられた第4磁性層をさらに備え、
前記第2方向において、前記第2非磁性層の少なくとも一部は、前記第4磁性層の少なくとも一部と重なり、
前記第2非磁性層は、前記第5磁性層と電気的に接続されている、請求項1〜6のいずれか1つに記載の磁気記憶素子。
A fourth magnetic layer provided between the first nonmagnetic layer and the first magnetic layer in the first direction;
In the second direction, at least part of the second nonmagnetic layer overlaps with at least part of the fourth magnetic layer,
The magnetic memory element according to claim 1, wherein the second nonmagnetic layer is electrically connected to the fifth magnetic layer.
第1磁性層と、
第2磁性層と、
前記第1磁性層と前記第2磁性層との間に設けられた第1非磁性層と、
前記第1磁性層と電気的に接続された第2非磁性層と、
を備え、
前記第2非磁性層は、前記第1磁性層から前記第2磁性層に向かう第1方向に対して直交する第2方向において、前記第1磁性層と対向する面を有し、
前記第1磁性層の磁化は実質的に固定され、
前記第2磁性層の磁化の方向は可変である、磁気記憶素子。
A first magnetic layer;
A second magnetic layer;
A first nonmagnetic layer provided between the first magnetic layer and the second magnetic layer;
A second nonmagnetic layer electrically connected to the first magnetic layer;
With
The second nonmagnetic layer has a surface facing the first magnetic layer in a second direction orthogonal to the first direction from the first magnetic layer toward the second magnetic layer;
The magnetization of the first magnetic layer is substantially fixed;
A magnetic memory element, wherein the direction of magnetization of the second magnetic layer is variable.
請求項1〜9のいずれか1つに記載の磁気記憶素子と、
前記磁気記憶素子と電気的に接続された制御部と、
を備えた不揮発性記憶装置。
A magnetic memory element according to any one of claims 1 to 9,
A controller electrically connected to the magnetic memory element;
A non-volatile storage device.
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JP2013069820A (en) * 2011-09-21 2013-04-18 Toshiba Corp Magnetic storage element and nonvolatile storage device

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