JP2020141132A - Magnetic domain wall movement element and magnetic recording array - Google Patents

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Abstract

To provide a magnetic domain wall movement type magnetic recording element and a magnetic memory which have a wide range of change in resistance.SOLUTION: A magnetic domain wall movement type magnetic recording element according to the present embodiment includes a first ferromagnetic layer, a magnetic recording layer, a nonmagnetic layer, a first electrode, and a second electrode. The first electrode includes a magnetic material whose magnetization is oriented in a direction different from a direction of magnetization of the first ferromagnetic layer. The magnetic recording layer includes: a first region which overlaps with the first electrode and the first ferromagnetic layer in a first direction; a second region which overlaps with the second electrode and the first ferromagnetic layer in the first direction; and a third region which is sandwiched between the first region and the second region. An area of a first portion in the first region facing the first electrode is larger than an area of a second portion in the second region facing the second electrode. The first ferromagnetic layer overlaps with a part of the first electrode and a part of the second electrode in the first direction.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、磁壁移動素子及び磁気記録アレイに関する。 The present invention relates to domain wall moving elements and magnetic recording arrays.

微細化に限界が見えてきたフラッシュメモリ等に代わる次世代の不揮発性メモリに注目が集まっている。例えば、MRAM(Magnetoresistive Random Access Memory)、ReRAM(Resistance Randome Access Memory)、PCRAM(Phase Change Random Access Memory)等が次世代の不揮発性メモリとして知られている。 Attention is focused on next-generation non-volatile memory that will replace flash memory, etc., whose miniaturization has reached its limit. For example, MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory), ReRAM (Resistance Random Access Memory), PCRAM (Phase Change Random Access Memory), and the like are known as next-generation non-volatile memories.

MRAMは、磁化の向きの変化によって生じる抵抗値変化をデータ記録に利用している。記録メモリの大容量化を実現するために、メモリを構成する素子の小型化、メモリを構成する素子一つあたりの記録ビットの多値化が検討されている。 The MRAM utilizes the change in resistance value caused by the change in the direction of magnetization for data recording. In order to realize a large capacity of the recording memory, miniaturization of the elements constituting the memory and increasing the number of recording bits per element constituting the memory are being studied.

特許文献1には、磁壁の移動を利用した磁気抵抗効果素子が記載されている。特許文献1に記載の磁気抵抗効果素子は、磁壁の位置によって情報をアナログに記録する。特許文献1に記載の磁気抵抗効果素子は、磁化固定部によって磁壁が移動できる範囲を制御している。 Patent Document 1 describes a magnetoresistive element that utilizes the movement of a domain wall. The magnetoresistive element described in Patent Document 1 records information in analog depending on the position of the domain wall. The magnetoresistive element described in Patent Document 1 controls the range in which the domain wall can move by the magnetization fixing portion.

特許第5598697号公報Japanese Patent No. 5598697

磁壁移動素子は、非磁性層を挟む2つの強磁性体の磁化の相対角の違いに応じて抵抗値が変化する。磁壁移動素子は、抵抗値に基づいてデータを記憶する。磁壁移動素子は、磁壁の消滅を防ぐために、磁壁が移動する磁気記録層に磁化固定部を設ける場合がある。また複数の磁壁移動素子の集積度を上げるために、磁化固定部を含む磁気記録層の一面に、抵抗変化の基準となる参照層を積層する場合がある。磁化固定部は磁化の方向が固定され、磁化固定部の磁化と参照層の磁化との相対角は変化しない。したがって、磁化固定部は、磁壁移動素子の抵抗値変化を生み出さず、磁化固定層と参照層とが平面視重なる分だけ、抵抗の変化幅が小さくなる。抵抗値の変化幅が大きいと、例えば、磁壁移動素子が記録するデータがノイズにより変動することを抑制できる。 The resistance value of the domain wall moving element changes according to the difference in the relative angles of magnetization of the two ferromagnets sandwiching the non-magnetic layer. The domain wall moving element stores data based on the resistance value. In the domain wall moving element, in order to prevent the domain wall from disappearing, a magnetization fixing portion may be provided in the magnetic recording layer in which the domain wall moves. Further, in order to increase the degree of integration of the plurality of domain wall moving elements, a reference layer as a reference for resistance change may be laminated on one surface of the magnetic recording layer including the magnetization fixing portion. The direction of magnetization is fixed in the magnetization fixing portion, and the relative angle between the magnetization of the magnetization fixing portion and the magnetization of the reference layer does not change. Therefore, the magnetization fixing portion does not generate a change in the resistance value of the domain wall moving element, and the resistance change width becomes smaller by the amount that the magnetization fixing layer and the reference layer overlap in a plan view. When the range of change in the resistance value is large, for example, it is possible to suppress fluctuations in the data recorded by the domain wall moving element due to noise.

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、抵抗変化幅の広く安定な磁壁移動型磁気記録素子及び磁気メモリを提供する。 The present invention has been made in view of the above problems, and provides a stable magnetic domain wall moving magnetic recording element having a wide resistance change range and a magnetic memory.

(1)第1の態様にかかる磁壁移動素子は、第1強磁性層と、前記第1強磁性層に対して第1方向に位置し、第2方向に延びる磁気記録層と、前記第1強磁性層と前記磁気記録層との間に位置する非磁性層と、前記磁気記録層の前記非磁性層と反対側に位置し、前記第1方向において前記磁気記録層の一部とそれぞれ重なる第1電極と第2電極と、を備え、前記第1電極は、前記第1強磁性層の磁化の向きと異なる方向に磁化が配向した磁性体を含み、前記磁気記録層は、前記第1電極及び前記第1強磁性層と前記第1方向において重なる第1領域と、前記第2電極及び前記第1強磁性層と前記第1方向において重なる第2領域と、前記第1領域と前記第2領域とに挟まれる第3領域とを有し、前記第1領域の前記第1電極と対向する第1部分の面積は、前記第2領域の前記第2電極と対向する第2部分の面積より広く、前記第1強磁性層は、前記第1方向から見て、前記第1電極及び前記第2電極の一部と重なる。 (1) The magnetic wall moving element according to the first aspect includes a first ferromagnetic layer, a magnetic recording layer located in the first direction with respect to the first ferromagnetic layer and extending in the second direction, and the first. The non-magnetic layer located between the ferromagnetic layer and the magnetic recording layer and the magnetic recording layer located on the opposite side of the non-magnetic layer and overlapping a part of the magnetic recording layer in the first direction. A first electrode and a second electrode are provided, the first electrode contains a magnetic material whose magnetization is oriented in a direction different from the direction of magnetization of the first ferromagnetic layer, and the magnetic recording layer is the first. A first region that overlaps the electrode and the first ferromagnetic layer in the first direction, a second region that overlaps the second electrode and the first ferromagnetic layer in the first direction, and the first region and the first region. It has a third region sandwiched between the two regions, and the area of the first portion of the first region facing the first electrode is the area of the second portion of the second region facing the second electrode. More broadly, the first ferromagnetic layer overlaps the first electrode and a part of the second electrode when viewed from the first direction.

(2)上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記第2電極は、前記第1強磁性層の磁化の向きと同じ方向に磁化が配向した磁性体含んでもよい。 (2) In the domain wall moving element according to the above aspect, the second electrode may include a magnetic material whose magnetization is oriented in the same direction as the magnetization direction of the first ferromagnetic layer.

(3)上記態様にかかる磁壁移動素子は、基板をさらに有し、前記第1強磁性層は、前記磁気記録層より前記基板の近くに位置してもよい。 (3) The domain wall moving element according to the above aspect further includes a substrate, and the first ferromagnetic layer may be located closer to the substrate than the magnetic recording layer.

(4)上記態様にかかる磁壁移動素子は、前記磁気記録層の前記第3領域を覆う絶縁層をさらに有してもよい。 (4) The magnetic wall moving element according to the above aspect may further have an insulating layer covering the third region of the magnetic recording layer.

(5)上記態様にかかる磁壁移動素子は、基板をさらに有し、前記第1強磁性層は、前記磁気記録層より前記基板から遠い位置にあってもよい。 (5) The domain wall moving element according to the above aspect further includes a substrate, and the first ferromagnetic layer may be located farther from the substrate than the magnetic recording layer.

(6)上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記磁気記録層の前記第2方向の側面は、前記第1方向に対して傾斜してもよい。 (6) In the domain wall moving element according to the above aspect, the side surface of the magnetic recording layer in the second direction may be inclined with respect to the first direction.

(7)上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記第1電極は、前記第1方向に対して傾斜する第1傾斜部を有してもよい。 (7) In the domain wall moving element according to the above aspect, the first electrode may have a first inclined portion that is inclined with respect to the first direction.

(8)上記態様にかかる磁壁移動素子の前記磁気記録層の前記第1方向及び前記第2方向に直交する前記第3方向の中心を通り、前記第1方向及び前記第2方向に広がる切断面において、前記第1電極は、第1側面と、前記第1側面より前記第2電極の近くに位置する第2側面と、を有し、前記第1側面は、前記第2側面の前記第1方向に対する傾斜角より大きな傾斜角を有する部分を有してもよい。 (8) A cut surface extending in the first direction and the second direction through the center of the third direction orthogonal to the first direction and the second direction of the magnetic recording layer of the domain wall moving element according to the above aspect. The first electrode has a first side surface and a second side surface located closer to the second electrode than the first side surface, and the first side surface is the first side surface of the second side surface. It may have a portion having an inclination angle larger than the inclination angle with respect to the direction.

(9)上記態様にかかる磁壁移動素子の前記磁気記録層の前記第1方向及び前記第2方向に直交する前記第3方向の中心を通り、前記第1方向及び前記第2方向に広がる切断面において、前記第1電極は、第1側面と、前記第1側面より前記第2電極の近くに位置する第2側面と、を有し、前記第1側面は、前記第1方向に対する傾きが不連続に変化する部分を有してもよい。 (9) A cut surface extending in the first direction and the second direction through the center of the third direction orthogonal to the first direction and the second direction of the magnetic recording layer of the domain wall moving element according to the above aspect. The first electrode has a first side surface and a second side surface located closer to the second electrode than the first side surface, and the first side surface has no inclination with respect to the first direction. It may have a continuously changing portion.

(10)第2の態様にかかる磁気記録アレイは、上記態様にかかる磁壁移動素子を複数有してもよい。 (10) The magnetic recording array according to the second aspect may have a plurality of domain wall moving elements according to the above aspect.

上記態様にかかる磁壁移動素子及び磁気記録アレイによれば、抵抗変化幅を広げることができる。 According to the domain wall moving element and the magnetic recording array according to the above aspect, the resistance change width can be widened.

第1実施形態に係る半導体装置の断面図である。It is sectional drawing of the semiconductor device which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る記憶素子の断面図である。It is sectional drawing of the memory element which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る記憶素子の平面図である。It is a top view of the memory element which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る半導体装置の記憶素子の第1変形例の平面図である。It is a top view of the 1st modification of the storage element of the semiconductor device which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る半導体装置の記憶素子の第2変形例の断面図である。It is sectional drawing of the 2nd modification of the storage element of the semiconductor device which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態にかかる半導体装置の記憶素子の第3変形例の断面模式図である。It is sectional drawing of the 3rd modification of the storage element of the semiconductor device which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態にかかる半導体装置の記憶素子の第3変形例の平面模式図である。It is a plane schematic diagram of the 3rd modification of the storage element of the semiconductor device which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態にかかる半導体装置の記憶素子の第4変形例の断面模式図である。It is sectional drawing of the 4th modification of the storage element of the semiconductor device which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態にかかる記憶素子の第5変形例の断面模式図である。It is sectional drawing of the 5th modification of the storage element which concerns on 1st Embodiment. 第2実施形態にかかる半導体装置の断面模式図である。It is sectional drawing of the semiconductor device which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態にかかる半導体装置の記憶素子の断面模式図である。It is sectional drawing of the storage element of the semiconductor device which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態にかかる記憶素子の第6変形例の断面模式図である。It is sectional drawing of the 6th modification of the storage element which concerns on 2nd Embodiment. 第3実施形態にかかる磁気記録アレイの構成図である。It is a block diagram of the magnetic recording array which concerns on 3rd Embodiment.

以下、本実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。 Hereinafter, the present embodiment will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. The drawings used in the following description may be enlarged for convenience in order to make the features of the present invention easy to understand, and the dimensional ratios of the respective components may differ from the actual ones. is there. The materials, dimensions, etc. exemplified in the following description are examples, and the present invention is not limited thereto, and can be appropriately modified and carried out within the range in which the effects of the present invention are exhibited.

まず方向について定義する。x方向及びy方向は、後述する基板60の一面と略平行な方向である。x方向は、後述する磁気記録層20が延びる方向である。x方向は、第2方向の一例である。y方向は、x方向と直交する方向である。z方向は、x方向及びy方向と直交する方向である。z方向は第1方向の一例である。また本明細書で「x方向に延びる」とは、例えば、x方向、y方向、及びz方向の各寸法のうち最小の寸法よりもx方向の寸法が大きいことを意味する。他の方向に延びる場合も同様である。 First, define the direction. The x-direction and the y-direction are directions substantially parallel to one surface of the substrate 60, which will be described later. The x direction is the direction in which the magnetic recording layer 20, which will be described later, extends. The x direction is an example of the second direction. The y direction is a direction orthogonal to the x direction. The z direction is a direction orthogonal to the x direction and the y direction. The z direction is an example of the first direction. Further, in the present specification, "extending in the x direction" means that, for example, the dimension in the x direction is larger than the minimum dimension among the dimensions in the x direction, the y direction, and the z direction. The same applies when extending in the other direction.

[第1実施形態]
<半導体装置>
図1は、第1実施形態にかかる半導体装置の断面図である。図1は、磁気記録層20のy方向の幅の中心を通るxz平面で切断した断面である。半導体装置200は、複数の記憶素子100と、記憶素子100に接続された半導体素子(例えばトランジスタ)と、を有する。図1では、便宜上、一つの記憶素子100にフォーカスし、記憶素子100に接続された3つのトランジスタを図示している。半導体装置200は、第1強磁性層10と磁気記録層20と非磁性層30と第1電極40と第2電極50と基板60と第3電極70と複数の絶縁層80と複数の導電部90と第1配線Cmと第2配線Wpと第3配線Rpと複数のゲート電極G1,G2,G3と複数のゲート絶縁膜GI1,GI2,GI3とを有する。第1強磁性層10と磁気記録層20と非磁性層30と第1電極40と第2電極50とを記憶素子100と称する。記憶素子100は、磁壁移動素子の一例である。図1に示す半導体装置200は、磁気記録層20が第1強磁性層10より基板60の近くに位置するトップピン構造である。
[First Embodiment]
<Semiconductor device>
FIG. 1 is a cross-sectional view of the semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 1 is a cross section cut along an xz plane passing through the center of the width of the magnetic recording layer 20 in the y direction. The semiconductor device 200 has a plurality of storage elements 100 and a semiconductor element (for example, a transistor) connected to the storage element 100. In FIG. 1, for convenience, three transistors focused on one storage element 100 and connected to the storage element 100 are illustrated. The semiconductor device 200 includes a first ferromagnetic layer 10, a magnetic recording layer 20, a non-magnetic layer 30, a first electrode 40, a second electrode 50, a substrate 60, a third electrode 70, a plurality of insulating layers 80, and a plurality of conductive portions. It has 90, a first wiring Cm, a second wiring Wp, a third wiring Rp, a plurality of gate electrodes G1, G2, G3, and a plurality of gate insulating films GI1, GI2, GI3. The first ferromagnetic layer 10, the magnetic recording layer 20, the non-magnetic layer 30, the first electrode 40, and the second electrode 50 are referred to as a storage element 100. The storage element 100 is an example of a domain wall moving element. The semiconductor device 200 shown in FIG. 1 has a top pin structure in which the magnetic recording layer 20 is located closer to the substrate 60 than the first ferromagnetic layer 10.

「基板、ゲート電極、ゲート絶縁膜」
基板60は、例えば、半導体基板である。基板60は、複数のソース領域S1,S2,S3及び複数のドレイン領域D1,D2,D3を有する。複数のソース領域S1,S2,S3及び複数のドレイン領域D1,D2,D3は、基板60に不純物が注入された領域である。ソース領域S1、ドレイン領域D1、ゲート電極G1、ゲート絶縁膜GI1は、第1トランジスタTr1となる。ソース領域S2、ドレイン領域D2、ゲート電極G2、ゲート絶縁膜GI2は、第2トランジスタTr2となる。ソース領域S3、ドレイン領域D3、ゲート電極G3、ゲート絶縁膜GI3は、第3トランジスタTr3となる。
"Substrate, gate electrode, gate insulating film"
The substrate 60 is, for example, a semiconductor substrate. The substrate 60 has a plurality of source regions S1, S2, S3 and a plurality of drain regions D1, D2, D3. The plurality of source regions S1, S2, S3 and the plurality of drain regions D1, D2, D3 are regions in which impurities are injected into the substrate 60. The source region S1, the drain region D1, the gate electrode G1, and the gate insulating film GI1 serve as the first transistor Tr1. The source region S2, the drain region D2, the gate electrode G2, and the gate insulating film GI2 serve as the second transistor Tr2. The source region S3, the drain region D3, the gate electrode G3, and the gate insulating film GI3 serve as a third transistor Tr3.

「絶縁層」
絶縁層80は、多層配線の配線間や素子間を絶縁する絶縁層である。絶縁層80は、基板60、第1配線Cm、第2配線Wp、第3配線Rp及び記憶素子100のそれぞれを、導電部90を除いて、電気的に分離する。
"Insulation layer"
The insulating layer 80 is an insulating layer that insulates between the wirings of the multilayer wiring and between the elements. The insulating layer 80 electrically separates the substrate 60, the first wiring Cm, the second wiring Wp, the third wiring Rp, and the storage element 100, except for the conductive portion 90.

絶縁層80には、半導体デバイス等で用いられているものと同様の材料を用いることができる。絶縁層80は、例えば、酸化シリコン(SiO)、窒化シリコン(SiN)、炭化シリコン(SiC)、窒化クロム、炭窒化シリコン(SiCN)、酸窒化シリコン(SiON)、酸化アルミニウム(Al)、酸化ジルコニウム(ZrO)等である。 For the insulating layer 80, the same material as that used in semiconductor devices and the like can be used. The insulating layer 80 includes, for example, silicon oxide (SiO x ), silicon nitride (SiN x ), silicon carbide (SiC), chromium nitride, silicon carbide (SiCN), silicon oxynitride (SiON), aluminum oxide (Al 2 O). 3 ), zirconium oxide (ZrO x ) and the like.

「配線」
第1配線Cmは、共通配線である。共通配線は、データの書き込み時及び読み出し時の両方で用いられる配線である。第2配線Wpは、書き込み配線である。書き込み配線は、データの書き込み時に用いられる配線である。第3配線Rpは、読み出し配線である。読み出し配線は、データの読み出し時に用いられる配線である。第1トランジスタTr1及び第3トランジスタTr3がオンになると、第2配線Wpと第1配線Cmとが電気的に繋がり、記憶素子100に書き込み電流が流れる。第2トランジスタTr1及び第3トランジスタTr3がオンになると、第3配線Wpと第1配線Cmとが電気的に繋がり、記憶素子100に読み出し電流が流れる。
"wiring"
The first wiring Cm is a common wiring. The common wiring is wiring used both when writing data and when reading data. The second wiring Wp is a writing wiring. The write wiring is the wiring used when writing data. The third wiring Rp is a read wiring. The read wiring is the wiring used when reading data. When the first transistor Tr1 and the third transistor Tr3 are turned on, the second wiring Wp and the first wiring Cm are electrically connected, and a write current flows through the storage element 100. When the second transistor Tr1 and the third transistor Tr3 are turned on, the third wiring Wp and the first wiring Cm are electrically connected, and a read current flows through the storage element 100.

「導電部」
導電部90は、第1配線Cm、第2配線Wp、第3配線Rp、記憶素子100のそれぞれと基板60とを電気的に接続する。導電部90は、導電性を有する材料を含む。導電部91は、第2配線Wpと第1トランジスタTr1のソース領域S1とを電気的に繋ぐ。導電部92は、第2電極50と第1トランジスタTr1のドレイン領域D1とを電気的に繋ぐ。導電部93は、第3配線Rpと第2トランジスタTr2のソース領域S2とを電気的に繋ぐ。導電部94は、配線71と第2トランジスタTr2のドレイン領域D2とを電気的に繋ぐ。導電部95は、第1配線Cmと第3トランジスタTr3のソース領域S3とを電気的に繋ぐ。導電部96は、第1電極40と第3トランジスタTr3のドレイン領域D3とを電気的に繋ぐ。導電部91,92,93,94,95,96は、z方向に延びる。
"Conductive part"
The conductive portion 90 electrically connects each of the first wiring Cm, the second wiring Wp, the third wiring Rp, and the storage element 100 to the substrate 60. The conductive portion 90 contains a material having conductivity. The conductive portion 91 electrically connects the second wiring Wp and the source region S1 of the first transistor Tr1. The conductive portion 92 electrically connects the second electrode 50 and the drain region D1 of the first transistor Tr1. The conductive portion 93 electrically connects the third wiring Rp and the source region S2 of the second transistor Tr2. The conductive portion 94 electrically connects the wiring 71 and the drain region D2 of the second transistor Tr2. The conductive portion 95 electrically connects the first wiring Cm and the source region S3 of the third transistor Tr3. The conductive portion 96 electrically connects the first electrode 40 and the drain region D3 of the third transistor Tr3. The conductive portions 91, 92, 93, 94, 95, 96 extend in the z direction.

「第3電極」
第3電極70は、記憶素子100に読み出し電流を流すための電極である。第3電極70は、導電性を有する材料を含む。第3電極70と導電部94との間は、配線71で接続されている。
"Third electrode"
The third electrode 70 is an electrode for passing a read current through the storage element 100. The third electrode 70 contains a material having conductivity. The third electrode 70 and the conductive portion 94 are connected by a wiring 71.

「記憶素子」
図2は、第1実施形態に係る半導体装置の記憶素子100の近傍を拡大した断面図である。図3は、第1実施形態に係る半導体装置の記憶素子100の平面図である。記憶素子100は、第1強磁性層10と磁気記録層20と非磁性層30と第1電極40と第2電極50とを有する。図2は、記憶素子100を磁気記録層のy方向の中心を通るxz平面(図3におけるA−A面)で切断した断面図である。図2では、簡単のため、磁気記録層20、非磁性層30及び第1強磁性層10の周囲の絶縁層80を省略している。
"Memory element"
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the vicinity of the storage element 100 of the semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 3 is a plan view of the storage element 100 of the semiconductor device according to the first embodiment. The storage element 100 has a first ferromagnetic layer 10, a magnetic recording layer 20, a non-magnetic layer 30, a first electrode 40, and a second electrode 50. FIG. 2 is a cross-sectional view of the storage element 100 cut along the xz plane (plane AA in FIG. 3) passing through the center of the magnetic recording layer in the y direction. In FIG. 2, for the sake of simplicity, the insulating layer 80 around the magnetic recording layer 20, the non-magnetic layer 30, and the first ferromagnetic layer 10 is omitted.

「第1電極、第2電極」
第1電極40及び第2電極50は、磁気記録層20を基準に非磁性層30と反対側に位置する。第1電極40及び第2電極50は、絶縁層80の内部にある。第1電極40は磁気記録層20と導電部96との間に位置し、第2電極50は磁気記録層20と導電部92との間に位置する。第1電極40の少なくとも一部は、z方向において磁気記録層20と重なる。第2電極50の少なくとも一部は、z方向において磁気記録層20と重なる。
"1st electrode, 2nd electrode"
The first electrode 40 and the second electrode 50 are located on the opposite side of the non-magnetic layer 30 with respect to the magnetic recording layer 20. The first electrode 40 and the second electrode 50 are inside the insulating layer 80. The first electrode 40 is located between the magnetic recording layer 20 and the conductive portion 96, and the second electrode 50 is located between the magnetic recording layer 20 and the conductive portion 92. At least a part of the first electrode 40 overlaps with the magnetic recording layer 20 in the z direction. At least a part of the second electrode 50 overlaps the magnetic recording layer 20 in the z direction.

z方向からの第1電極40及び第2電極50の平面視形状は、特に問わない。例えば、図3に示す第1電極40及び第2電極50は、z方向からの平面視で矩形である。 The plan-view shapes of the first electrode 40 and the second electrode 50 from the z direction are not particularly limited. For example, the first electrode 40 and the second electrode 50 shown in FIG. 3 are rectangular in a plan view from the z direction.

第1電極40は、磁性体を含む。第1電極40は、例えば、一方向に配向した磁化M40を有する。第1電極40の磁化M40の向きは、第1強磁性層10の磁化M10の向きと異なる。図2に示す磁化M40は、例えば、−z方向に配向する。第1電極40の保磁力は、後述する磁気記録層20の第3領域R3の保磁力より大きい。第3領域R3の保磁力は、第1電極40及び第2電極50を有さない絶縁層80上に磁気記録層20を形成した場合の磁気記録層20の保磁力と略一致する。 The first electrode 40 contains a magnetic material. The first electrode 40 has, for example, a magnetization M 40 oriented in one direction. The orientation of the magnetization M 40 of the first electrode 40 is different from the orientation of the magnetization M 10 of the first ferromagnetic layer 10. The magnetization M 40 shown in FIG. 2 is oriented in the −z direction, for example. The coercive force of the first electrode 40 is larger than the coercive force of the third region R3 of the magnetic recording layer 20, which will be described later. The coercive force of the third region R3 substantially coincides with the coercive force of the magnetic recording layer 20 when the magnetic recording layer 20 is formed on the insulating layer 80 having no first electrode 40 and the second electrode 50.

第1電極40と第3領域R3との間の保磁力差は、第1電極40を構成する材料と磁気記録層20を構成する材料とを選択して調整できる。また第1電極40をシンセティック反強磁性構造(SAF構造)としてもよい。シンセティック反強磁性構造は、非磁性層を挟む二つの磁性層からなる。二つの磁性層はそれぞれ磁化が固定されており、固定された磁化の向きは反対である。例えば、図1に示す第1電極40の下方に、非磁性層と強磁性層とを設ける。第1電極40と強磁性層とがカップリングすることで、第1電極40の保磁力が高まる。 The coercive force difference between the first electrode 40 and the third region R3 can be adjusted by selecting the material constituting the first electrode 40 and the material constituting the magnetic recording layer 20. Further, the first electrode 40 may have a synthetic antiferromagnetic structure (SAF structure). The synthetic antiferromagnetic structure consists of two magnetic layers sandwiching a non-magnetic layer. The magnetization of each of the two magnetic layers is fixed, and the directions of the fixed magnetization are opposite. For example, a non-magnetic layer and a ferromagnetic layer are provided below the first electrode 40 shown in FIG. The coupling of the first electrode 40 and the ferromagnetic layer increases the coercive force of the first electrode 40.

第1電極40は、例えば、Cr、Mn、Co、Fe及びNiからなる群から選択される金属、これらの金属を1種以上含む合金、これらの金属とB、C、及びNの少なくとも1種以上の元素とが含まれる合金等を含む。第1電極40は、例えば、Co−Fe、Co−Fe−B、Ni−Fe等である。 The first electrode 40 is, for example, a metal selected from the group consisting of Cr, Mn, Co, Fe and Ni, an alloy containing at least one of these metals, and at least one of these metals and B, C, and N. Includes alloys and the like containing the above elements. The first electrode 40 is, for example, Co-Fe, Co-Fe-B, Ni-Fe, or the like.

第2電極50は、導体である。第2電極は、例えば、導電性に優れるAl、Cu、Ag等である。 The second electrode 50 is a conductor. The second electrode is, for example, Al, Cu, Ag or the like having excellent conductivity.

「磁気記録層」
磁気記録層20は、第1電極40、第2電極50のz方向に位置する。磁気記録層20は、第1面40a、50aに跨って形成されている。磁気記録層20は、第1面40a、50aに直接接続されていてもよいし、間に層を介して接続されていてもよい。
"Magnetic recording layer"
The magnetic recording layer 20 is located in the z direction of the first electrode 40 and the second electrode 50. The magnetic recording layer 20 is formed so as to straddle the first surfaces 40a and 50a. The magnetic recording layer 20 may be directly connected to the first surfaces 40a and 50a, or may be connected via a layer between them.

磁気記録層20は、内部の磁気的な状態の変化により情報を記録できる層である。磁気記録層20は、非磁性層30より第1電極40及び第2電極50側に位置する磁性層である。磁気記録層20は、x方向に延びる。図2に示す磁気記録層20は、z方向からの平面視で、x方向が長軸、y方向が短軸の矩形である。 The magnetic recording layer 20 is a layer capable of recording information by changing the internal magnetic state. The magnetic recording layer 20 is a magnetic layer located closer to the first electrode 40 and the second electrode 50 than the non-magnetic layer 30. The magnetic recording layer 20 extends in the x direction. The magnetic recording layer 20 shown in FIG. 2 is a rectangle having a long axis in the x direction and a short axis in the y direction in a plan view from the z direction.

磁気記録層20は、内部に第1磁区28と第2磁区29とを有する。第1磁区28の磁化M28と第2磁区29の磁化M29とは、反対方向に配向する。第1磁区28と第2磁区29との境界が磁壁27である。磁気記録層20は、磁壁27を内部に有することができる。図2に示す記憶素子100は、第1磁区28の磁化M28が+z方向に配向し、第2磁区29の磁化M29が−z方向に配向する。以下、磁化がz軸方向に沿って配向した例を用いて説明するが、磁気記録層20及び第1強磁性層10の磁化はx軸方向に沿って配向してもよいし、xy面内のいずれかの方向に配向していてもよい。 The magnetic recording layer 20 has a first magnetic domain 28 and a second magnetic domain 29 inside. The magnetization M 28 of the first magnetic domain 28 to the magnetization M 29 of the second magnetic domain 29, oriented in opposite directions. The boundary between the first magnetic domain 28 and the second magnetic domain 29 is the domain wall 27. The magnetic recording layer 20 can have a magnetic domain wall 27 inside. Memory element 100 shown in FIG. 2, the magnetization M 28 of the first magnetic domain 28 is oriented in the + z-direction, the magnetization M 29 of the second magnetic domain 29 is oriented in the -z direction. Hereinafter, an example in which the magnetization is oriented along the z-axis direction will be described, but the magnetization of the magnetic recording layer 20 and the first ferromagnetic layer 10 may be oriented along the x-axis direction, or may be oriented in the xy in-plane. It may be oriented in any of the above directions.

記憶素子100は、磁気記録層20の磁壁27の位置によって、データを多値又は連続的に記録する。磁気記録層20に記録されたデータは、読み出し電流を印加した際に、記憶素子100の抵抗値変化として読み出される。 The storage element 100 records data in multiple values or continuously depending on the position of the magnetic domain wall 27 of the magnetic recording layer 20. The data recorded on the magnetic recording layer 20 is read out as a change in the resistance value of the storage element 100 when a read-out current is applied.

磁気記録層20における第1磁区28と第2磁区29との比率は、磁壁27が移動すると変化する。第1強磁性層10の磁化M10は、第1磁区28の磁化M28と同じ方向(平行)であり、第2磁区29の磁化M29と反対方向(反平行)である。磁壁27が+x方向に移動し、z方向からの平面視で第1強磁性層10と重畳する部分における第1磁区28の面積が広くなると、記憶素子100の抵抗値は低くなる。反対に、磁壁27が−x方向に移動し、z方向からの平面視で第1強磁性層10と重畳する部分における第2磁区29の面積が広くなると、記憶素子100の抵抗値は高くなる。 The ratio of the first magnetic domain 28 to the second magnetic domain 29 in the magnetic recording layer 20 changes as the domain wall 27 moves. Magnetization M 10 of the first ferromagnetic layer 10 is the same direction as the magnetization M 28 of the first magnetic domain 28 (parallel), in the opposite direction to the magnetization M 29 of the second magnetic domain 29 (antiparallel). When the domain wall 27 moves in the + x direction and the area of the first magnetic domain 28 in the portion overlapping with the first ferromagnetic layer 10 in a plan view from the z direction becomes large, the resistance value of the storage element 100 becomes low. On the contrary, when the domain wall 27 moves in the −x direction and the area of the second magnetic domain 29 in the portion overlapping with the first ferromagnetic layer 10 in the plan view from the z direction becomes large, the resistance value of the storage element 100 increases. ..

磁壁27は、磁気記録層20のx方向に書き込み電流を流す、又は、外部磁場を印加することによって移動する。例えば、磁気記録層20の+x方向に書き込み電流(例えば、電流パルス)を印加すると、磁壁27が移動する。この時、電子は、電流と逆の−x方向に流れる。第1磁区28から第2磁区29に向って電流が流れる場合、第2磁区29でスピン偏極した電子は、第1磁区28の磁化M28を磁化反転させる。第1磁区28の磁化M28が磁化反転することで、磁壁27が移動する。 The domain wall 27 moves by passing a writing current in the x direction of the magnetic recording layer 20 or applying an external magnetic field. For example, when a write current (for example, a current pulse) is applied in the + x direction of the magnetic recording layer 20, the domain wall 27 moves. At this time, the electrons flow in the −x direction opposite to the current. When a current flows from the first magnetic domain 28 to the second magnetic domain 29, the spin-polarized electrons in the second magnetic domain 29 reverse the magnetization M 28 of the first magnetic domain 28. The magnetic domain wall 27 moves due to the magnetization reversal of the magnetization M 28 in the first magnetic domain 28.

磁気記録層20は、異なる複数の領域に区分できる。以下、複数の領域を便宜上、第1領域R1と第2領域R2と第3領域R3と称する。磁気記録層20は、z方向からの平面視で、その一部が第1電極40及び第2電極50と重なる。z方向から見て第1電極40及び第1強磁性層10と重なる領域を第1領域R1と称する。第1領域R1は、例えば、磁気記録層20のうち第1電極40の上面及び第1強磁性層10の下面と重なる領域であり、例えば磁気記録層20と第1電極40とが接する領域のうちz方向に第1強磁性層10と重なる領域である。z方向から見て第2電極50及び第1強磁性層10と重なる領域を第2領域R2と称する。第2領域R2は、例えば、磁気記録層20のうち第2電極50の上面及び第1強磁性層10の下面と重なる領域であり、例えば磁気記録層20と第2電極50とが接する領域のうちz方向に第1強磁性層10と重なる領域である。第1領域R1と第2領域R2に挟まれた領域を第3領域R3と称する。第3領域R3は、例えば、第1領域R1及び第2領域R2を除く領域である。第1領域R1は、第1電極40の磁化M40により磁化の向きが固定されている。第2領域R2は磁化が固定されていない。しかしながら、第2領域R2は第2電極50と接しているため、第2領域R2の電流密度は第3領域R3の電流密度より小さく、第3領域R3から第2領域R2に至る際の電流密度の変化量は、第3領域内を流れる電流の電流密度の変化量に対して大きい。そのため、磁壁27は、第3領域R3から第2領域R2に侵入しにくくなり、磁壁27の移動範囲が制限される。 The magnetic recording layer 20 can be divided into a plurality of different regions. Hereinafter, the plurality of regions will be referred to as a first region R1, a second region R2, and a third region R3 for convenience. A part of the magnetic recording layer 20 overlaps the first electrode 40 and the second electrode 50 in a plan view from the z direction. The region overlapping the first electrode 40 and the first ferromagnetic layer 10 when viewed from the z direction is referred to as a first region R1. The first region R1 is, for example, a region of the magnetic recording layer 20 that overlaps the upper surface of the first electrode 40 and the lower surface of the first ferromagnetic layer 10, and is, for example, a region where the magnetic recording layer 20 and the first electrode 40 are in contact with each other. This is a region that overlaps with the first ferromagnetic layer 10 in the z direction. The region overlapping the second electrode 50 and the first ferromagnetic layer 10 when viewed from the z direction is referred to as a second region R2. The second region R2 is, for example, a region of the magnetic recording layer 20 that overlaps the upper surface of the second electrode 50 and the lower surface of the first ferromagnetic layer 10, and is, for example, a region where the magnetic recording layer 20 and the second electrode 50 are in contact with each other. This is a region that overlaps with the first ferromagnetic layer 10 in the z direction. The region sandwiched between the first region R1 and the second region R2 is referred to as a third region R3. The third region R3 is, for example, a region excluding the first region R1 and the second region R2. The direction of magnetization of the first region R1 is fixed by the magnetization M 40 of the first electrode 40. The magnetization of the second region R2 is not fixed. However, since the second region R2 is in contact with the second electrode 50, the current density of the second region R2 is smaller than the current density of the third region R3, and the current density when reaching from the third region R3 to the second region R2. The amount of change in is larger than the amount of change in the current density of the current flowing in the third region. Therefore, the domain wall 27 is less likely to enter the second region R2 from the third region R3, and the moving range of the domain wall 27 is limited.

第1領域R1は、第1部分R1aを有する。第1部分R1aは、第1領域R1において第1電極40と対向する面である。第1部分R1aは、例えば、第1領域R1において第1電極40と接する面である。第2領域R2は、第2部分R2aを有する。第2部分R2aは、第2領域R2において、第2電極50と対向する面である。第2部分R2aは、例えば、第2領域R2において第2電極50と接する面である。第1部分R1aの面積は、第2部分R2aの面積より広い。図3に示す例では、第1部分R1aと第2部分R2aのy方向の幅wは同じであり、第1部分R1aのx方向の幅wx1は、第2部分R2aのx方向の幅wx2より広い。 The first region R1 has a first portion R1a. The first portion R1a is a surface facing the first electrode 40 in the first region R1. The first portion R1a is, for example, a surface in contact with the first electrode 40 in the first region R1. The second region R2 has a second portion R2a. The second portion R2a is a surface facing the second electrode 50 in the second region R2. The second portion R2a is, for example, a surface in contact with the second electrode 50 in the second region R2. The area of the first portion R1a is larger than the area of the second portion R2a. In the example shown in FIG. 3, the width w y of the first portion R1a and the second portion R2a in the y direction is the same, and the width w x1 of the first portion R1a in the x direction is the width of the second portion R2a in the x direction. Wider than w x2 .

磁気記録層20は、磁性体により構成される。磁気記録層20を構成する磁性体は、Cr、Mn、Co、Fe及びNiからなる群から選択される金属、これらの金属を1種以上含む合金、これらの金属とB、C、及びNの少なくとも1種以上の元素とが含まれる合金等を用いることができる。具体的には、Co−Fe、Co−Fe−B、Ni−Feが挙げられる。 The magnetic recording layer 20 is made of a magnetic material. The magnetic material constituting the magnetic recording layer 20 is a metal selected from the group consisting of Cr, Mn, Co, Fe and Ni, an alloy containing one or more of these metals, and B, C, and N of these metals. An alloy or the like containing at least one kind of element can be used. Specific examples thereof include Co-Fe, Co-Fe-B, and Ni-Fe.

磁気記録層20は、Co、Ni、Pt、Pd、Gd、Tb、Mn、Ge、Gaからなる群から選択される少なくとも一つの元素を有することが好ましい。磁気記録層20に用いられる材料として、例えば、CoとNiの積層膜、CoとPtの積層膜、CoとPdの積層膜、MnGa系材料、GdCo系材料、TbCo系材料が挙げられる。MnGa系材料、GdCo系材料、TbCo系材料等のフェリ磁性体は飽和磁化が小さく、磁壁を移動するために必要な閾値電流が小さくなる。またCoとNiの積層膜、CoとPtの積層膜、CoとPdの積層膜は、保磁力が大きく、磁壁の移動速度が遅くなる。 The magnetic recording layer 20 preferably has at least one element selected from the group consisting of Co, Ni, Pt, Pd, Gd, Tb, Mn, Ge, and Ga. Examples of the material used for the magnetic recording layer 20 include a Co and Ni laminated film, a Co and Pt laminated film, a Co and Pd laminated film, an MnGa-based material, a GdCo-based material, and a TbCo-based material. Ferrimagnetic materials such as MnGa-based materials, GdCo-based materials, and TbCo-based materials have a small saturation magnetization, and the threshold current required to move the domain wall is small. Further, the laminated film of Co and Ni, the laminated film of Co and Pt, and the laminated film of Co and Pd have a large coercive force, and the moving speed of the domain wall becomes slow.

「非磁性層」
非磁性層30は、第1強磁性層10と磁気記録層20との間に位置する。非磁性層30は、磁気記録層20の第2面20bに積層される。第2面20bは、第1面20aと対向する面である。
"Non-magnetic layer"
The non-magnetic layer 30 is located between the first ferromagnetic layer 10 and the magnetic recording layer 20. The non-magnetic layer 30 is laminated on the second surface 20b of the magnetic recording layer 20. The second surface 20b is a surface facing the first surface 20a.

非磁性層30は、例えば、非磁性の絶縁体、半導体又は金属からなる。非磁性の絶縁体は、例えば、Al、SiO、MgO、MgAl、およびこれらのAl、Si、Mgの一部がZn、Be等に置換された材料である。これらの材料は、バンドギャップが大きく、絶縁性に優れる。非磁性層30が非磁性の絶縁体からなる場合、非磁性層30はトンネルバリア層である。非磁性の金属は、例えば、Cu、Au、Ag等である。さらに、非磁性の半導体は、例えば、Si、Ge、CuInSe、CuGaSe、Cu(In,Ga)Se等である。 The non-magnetic layer 30 is made of, for example, a non-magnetic insulator, a semiconductor or a metal. The non-magnetic insulator is, for example, Al 2 O 3 , SiO 2 , MgO, MgAl 2 O 4 , and a material in which some of these Al, Si, and Mg are replaced with Zn, Be, and the like. These materials have a large bandgap and are excellent in insulating properties. When the non-magnetic layer 30 is made of a non-magnetic insulator, the non-magnetic layer 30 is a tunnel barrier layer. The non-magnetic metal is, for example, Cu, Au, Ag or the like. Further, the non-magnetic semiconductor is, for example, Si, Ge, CuInSe 2 , CuGaSe 2 , Cu (In, Ga) Se 2, and the like.

非磁性層30の厚みは、20Å以上であることが好ましく、30Å以上であることがより好ましい。非磁性層30の厚みが厚いと、記録素子100の抵抗面積積(RA)が大きくなる。記録素子100の抵抗面積積(RA)は、1×10Ωμm以上であることが好ましく、1×10Ωμm以上であることがより好ましい。記録素子100の抵抗面積積(RA)は、一つの記録素子100の素子抵抗と記録素子100の素子断面積(非磁性層30をxy平面で切断した切断面の面積)の積で表される。 The thickness of the non-magnetic layer 30 is preferably 20 Å or more, and more preferably 30 Å or more. When the thickness of the non-magnetic layer 30 is large, the resistance area product (RA) of the recording element 100 becomes large. The resistance area product (RA) of the recording element 100 is preferably 1 × 10 5 Ω μm 2 or more, and more preferably 1 × 10 6 Ω μm 2 or more. The resistance area product (RA) of the recording element 100 is represented by the product of the element resistance of one recording element 100 and the element cross-sectional area of the recording element 100 (the area of the cut surface obtained by cutting the non-magnetic layer 30 in the xy plane). ..

「第1強磁性層」
第1強磁性層10は、非磁性層30の+z方向に位置する。第1強磁性層10は、非磁性層30に面する。第1強磁性層10は、z方向から見て、第1電極40及び第2電極50の一部と重なる部分を有する。第1強磁性層10は、z方向から見て、第1領域R1及び第2領域R2と一部で重なる。
"First ferromagnetic layer"
The first ferromagnetic layer 10 is located in the + z direction of the non-magnetic layer 30. The first ferromagnetic layer 10 faces the non-magnetic layer 30. The first ferromagnetic layer 10 has a portion that overlaps a part of the first electrode 40 and the second electrode 50 when viewed from the z direction. The first ferromagnetic layer 10 partially overlaps the first region R1 and the second region R2 when viewed from the z direction.

第1強磁性層10は、一方向に配向した磁化M10を有する磁化固定層である。磁化M10の配向方向は、第1電極40の磁化M40の配向方向と反対である。磁化固定層は、所定の外力が印加された際に磁化の向きが磁気記録層20よりも変化しにくい。所定の外力は、例えば外部磁場により磁化に印加される外力や、スピン偏極電流により磁化に印加される外力である。 The first ferromagnetic layer 10 is a magnetization fixed layer having a magnetization M 10 oriented in one direction. The orientation direction of the magnetization M 10 is opposite to the orientation direction of the magnetization M 40 of the first electrode 40. In the magnetization fixed layer, the direction of magnetization is less likely to change than that in the magnetic recording layer 20 when a predetermined external force is applied. The predetermined external force is, for example, an external force applied to the magnetization by an external magnetic field or an external force applied to the magnetization by a spin polarization current.

第1強磁性層10は、強磁性体を含む。第1強磁性層10を構成する強磁性材料としては、例えば、Cr、Mn、Co、Fe及びNiからなる群から選択される金属、これらの金属を1種以上含む合金、これらの金属とB、C、及びNの少なくとも1種以上の元素とが含まれる合金等を用いることができる。具体的には、Co−Fe、Co−Fe−B、Ni−Feが挙げられる。 The first ferromagnetic layer 10 contains a ferromagnet. Examples of the ferromagnetic material constituting the first ferromagnetic layer 10 include a metal selected from the group consisting of Cr, Mn, Co, Fe and Ni, an alloy containing one or more of these metals, and these metals and B. , C, and N can be used as an alloy containing at least one or more elements. Specific examples thereof include Co-Fe, Co-Fe-B, and Ni-Fe.

第1強磁性層10を構成する材料は、ホイスラー合金でもよい。ホイスラー合金はハーフメタルであり、高いスピン分極率を有する。ホイスラー合金は、XYZ又はXYZの化学組成をもつ金属間化合物であり、Xは周期表上でCo、Fe、Ni、あるいはCu族の遷移金属元素または貴金属元素であり、YはMn、V、CrあるいはTi族の遷移金属又はXの元素種であり、ZはIII族からV族の典型元素である。ホイスラー合金として例えば、CoFeSi、CoFeGe、CoFeGa、CoMnSi、CoMn1−aFeAlSi1−b、CoFeGe1−cGa等が挙げられる。 The material constituting the first ferromagnetic layer 10 may be a Whistler alloy. The Whisler alloy is a half metal and has a high spin polarizability. The Whisler alloy is an intermetallic compound having a chemical composition of XYZ or X 2 YZ, where X is a transition metal element or noble metal element of the Co, Fe, Ni, or Cu group on the periodic table, and Y is Mn, V. , Cr or Ti group transition metal or X elemental species, Z is a typical element of group III to group V. Examples of the Whisler alloy include Co 2 FeSi, Co 2 FeGe, Co 2 FeGa, Co 2 MnSi, Co 2 Mn 1-a Fe a Al b Si 1-b , and Co 2 FeGe 1-c Ga c .

第1強磁性層10の膜厚は、第1強磁性層10の磁化容易軸をz方向とする(垂直磁化膜にする)場合は、1.5nm以下とすることが好ましく、1.0nm以下とすることがより好ましい。第1強磁性層10の膜厚を薄くすると、第1強磁性層10と他の層(非磁性層30)との界面で、第1強磁性層10に垂直磁気異方性(界面垂直磁気異方性)を付加できる。第1強磁性層10の磁化が、z方向に配向しやすくなる。 The thickness of the first ferromagnetic layer 10 is preferably 1.5 nm or less, preferably 1.0 nm or less, when the easy axis of magnetization of the first ferromagnetic layer 10 is in the z direction (perpendicular magnetization film). Is more preferable. When the thickness of the first ferromagnetic layer 10 is reduced, the first ferromagnetic layer 10 is perpendicularly magnetic anisotropy (interfacial vertical magnetism) at the interface between the first ferromagnetic layer 10 and another layer (non-magnetic layer 30). Anisotropy) can be added. The magnetization of the first ferromagnetic layer 10 tends to be oriented in the z direction.

第1強磁性層10の磁化は、一例としてz方向に固定される。z方向に磁化を固定する際には、第1強磁性層10をCo、Fe、Niからなる群から選択された強磁性体とPt、Pd、Ru、Rhからなる群から選択された非磁性体と積層体とすることが好ましく、中間層としてIr、Ruからなる群から選択された非磁性体を積層体のいずれかの位置に挿入することがより好ましい。強磁性体と非磁性体を積層すると垂直磁気異方性を付加することができ、中間層を挿入することによって第1強磁性層10の磁化はより強く垂直方向に固定することができる。 The magnetization of the first ferromagnetic layer 10 is fixed in the z direction as an example. When fixing the magnetization in the z direction, the first ferromagnetic layer 10 is a ferromagnet selected from the group consisting of Co, Fe, and Ni, and non-magnetic selected from the group consisting of Pt, Pd, Ru, and Rh. It is preferable to form a body and a laminate, and it is more preferable to insert a non-magnetic material selected from the group consisting of Ir and Ru as an intermediate layer at any position of the laminate. Vertical magnetic anisotropy can be added by laminating a ferromagnetic material and a non-magnetic material, and the magnetization of the first ferromagnetic layer 10 can be more strongly fixed in the vertical direction by inserting an intermediate layer.

第1強磁性層10は、SAF構造でもよい。第1強磁性層10の非磁性層30と反対側の面に、スペーサ層を介して、反強磁性層を有してもよい。第1強磁性層10と反強磁性層とが反強磁性カップリングすると、第1強磁性層10の保磁力が大きくなる。反強磁性層は、例えば、IrMn,PtMn等である。スペーサ層は、例えば、Ru、Ir、Rhからなる群から選択される少なくとも一つを含む。 The first ferromagnetic layer 10 may have a SAF structure. An antiferromagnetic layer may be provided on the surface of the first ferromagnetic layer 10 opposite to the non-magnetic layer 30 via a spacer layer. When the first ferromagnetic layer 10 and the antiferromagnetic layer are antiferromagnetic coupled, the coercive force of the first ferromagnetic layer 10 becomes large. The antiferromagnetic layer is, for example, IrMn, PtMn, or the like. The spacer layer contains, for example, at least one selected from the group consisting of Ru, Ir, Rh.

第1実施形態にかかる半導体装置は、各層を積層し、各層を所定の形状に加工して得られる。各層の積層は、スパッタリング法、化学気相成長(CVD)法、電子ビーム蒸着法(EB蒸着法)、原子レーザデポジッション法等を用いることができる。各層の加工は、フォトリソグラフィー等を用いて行うことができる。 The semiconductor device according to the first embodiment is obtained by laminating each layer and processing each layer into a predetermined shape. For the lamination of each layer, a sputtering method, a chemical vapor deposition (CVD) method, an electron beam vapor deposition method (EB vapor deposition method), an atomic laser deposit method, or the like can be used. The processing of each layer can be performed by using photolithography or the like.

第1実施形態にかかる記憶素子100において、第1領域R1の第1部分R1aの面積が第2領域R2の第2部分R2aの面積より広くなると、記憶素子100の抵抗変化の幅(ダイナミックレンジ)が広がる。 In the storage element 100 according to the first embodiment, when the area of the first portion R1a of the first region R1 becomes wider than the area of the second portion R2a of the second region R2, the width of the resistance change of the storage element 100 (dynamic range). Spreads.

記憶素子100は、非磁性層30を挟む2つの強磁性体(第1強磁性層10及び磁気記録層20)の磁化の相対角の違いに基づき、抵抗値が変化する。第1強磁性層10は、z方向からの平面視で、第1領域R1及び第2領域R2まで至る。したがって、記憶素子100の抵抗値は、第1領域R1、第2領域R2及び第3領域R3の磁化の向きによって決まる。一方で、上述のように、磁壁27は、第1領域R1及び第2領域R2には侵入しにくい。つまり、磁化の方向が固定された第1領域R1及び第2領域R2は、記憶素子100において“0”及び“1”のデータの基準抵抗には大きな影響を及ぼすが、記憶素子100の抵抗変化に与える影響は第3領域R3と比較して小さい。 The resistance value of the storage element 100 changes based on the difference in the relative angles of magnetization of the two ferromagnets (first ferromagnet layer 10 and magnetic recording layer 20) sandwiching the non-magnetic layer 30. The first ferromagnetic layer 10 reaches the first region R1 and the second region R2 in a plan view from the z direction. Therefore, the resistance value of the storage element 100 is determined by the direction of magnetization of the first region R1, the second region R2, and the third region R3. On the other hand, as described above, the domain wall 27 does not easily penetrate into the first region R1 and the second region R2. That is, the first region R1 and the second region R2 in which the direction of magnetization is fixed have a great influence on the reference resistance of the data of “0” and “1” in the storage element 100, but the resistance change of the storage element 100 The effect on the third region R3 is smaller than that of the third region R3.

記憶素子100は、磁壁27が第1領域R1に近づくほど抵抗値は小さくなり、磁壁27が第2領域R2に近づくほど抵抗値は大きくなる。磁気記録層20における第1領域R1が占める面積が大きくなると、記憶素子100の最小の抵抗値が大きくなる。また、磁気記録層20における第2領域R2が占める面積が大きくなると、記憶素子100の最大の抵抗値が小さくなる。記憶素子100は、最大の抵抗値が小さくなる場合より、最小の抵抗値が大きくなる場合の方が、抵抗変化幅を大きくできる。 The resistance value of the memory element 100 decreases as the domain wall 27 approaches the first region R1, and increases as the domain wall 27 approaches the second region R2. As the area occupied by the first region R1 in the magnetic recording layer 20 increases, the minimum resistance value of the storage element 100 increases. Further, as the area occupied by the second region R2 in the magnetic recording layer 20 increases, the maximum resistance value of the storage element 100 decreases. In the storage element 100, the resistance change width can be made larger when the minimum resistance value is larger than when the maximum resistance value is smaller.

以下、具体的な一例を示し、説明する。まず仮定条件として、磁壁27が無く、第1強磁性層10の磁化M10と磁気記録層20の磁化M28とが全領域において完全平行な場合に記憶素子100が示す抵抗値を100Ω、磁壁27が無く、第1強磁性層10の磁化M10と磁気記録層20の磁化M29とが全領域において完全反平行な場合に記憶素子100が示す抵抗値を200Ωとする。この場合、記憶素子100は、最大で100Ωの抵抗変化幅を有する。一方で、第1領域R1及び第2領域R2が存在する場合、磁壁27の移動範囲は第3領域R3に限定されているため、第1強磁性層10の磁化M10と磁気記録層20の磁化M28、M29とが、完全平行及び完全反平行の状態は取り得ない。すなわち、記憶素子100の抵抗変化幅は、100Ωを下回る。 Hereinafter, a specific example will be described and described. First, as assumptions, no domain wall 27, the resistance value of the memory element 100 is shown in case the magnetization M 28 of the magnetization M 10 and the magnetic recording layer 20 of the first ferromagnetic layer 10 is completely parallel in the entire region 100 [Omega, the domain wall 27 without the resistance of the memory element 100 is shown in case the magnetization M 29 of the magnetization M 10 and the magnetic recording layer 20 of the first ferromagnetic layer 10 is completely antiparallel in the entire region and 200 [Omega. In this case, the storage element 100 has a resistance change width of 100Ω at the maximum. On the other hand, when the first region R1 and the second region R2 exist, the movement range of the domain wall 27 is limited to the third region R3, so that the magnetization M 10 of the first ferromagnetic layer 10 and the magnetic recording layer 20 Magnetizations M 28 and M 29 cannot be completely parallel or completely antiparallel. That is, the resistance change width of the storage element 100 is less than 100Ω.

まず比較例1として、第1領域R1及び第2領域R2がそれぞれ磁気記録層20の10%ずつの領域を占める場合における記憶素子100の抵抗変化幅を求める。記憶素子100は、磁壁27が第1領域R1と第3領域R3との境界にある場合に最小の抵抗値を示し、磁壁27が第2領域R2と第3領域R3との境界にある場合に最大の抵抗値を示す。記憶素子100が最小の抵抗値を示す際、磁気記録層20の90%の磁化M28は第1強磁性層10の磁化M10と平行となり、磁気記録層20の10%の磁化M29は第1強磁性層10の磁化M10と反平行となる。記憶素子100が示す最小抵抗値は、105.3Ωである。一方で、記憶素子100が最大の抵抗値を示す際、磁気記録層20の10%の磁化M28は第1強磁性層10の磁化M10と平行となり、磁気記録層20の90%の磁化M29は第1強磁性層10の磁化M10と反平行となる。記憶素子100が示す最大抵抗値は、181.8Ωである。記憶素子100の抵抗変化幅は76.6Ωであり、記憶素子100のMR比は72.7である。 First, as Comparative Example 1, the resistance change width of the storage element 100 when the first region R1 and the second region R2 each occupy 10% of each of the magnetic recording layer 20 is obtained. The storage element 100 shows the minimum resistance value when the domain wall 27 is at the boundary between the first region R1 and the third region R3, and when the domain wall 27 is at the boundary between the second region R2 and the third region R3. Shows the maximum resistance value. When the storage element 100 shows the minimum resistance value, 90% of the magnetization M 28 of the magnetic recording layer 20 is parallel to the magnetization M 10 of the first ferromagnetic layer 10, and 10% of the magnetization M 29 of the magnetic recording layer 20 is the magnetization M 10 of the first ferromagnetic layer 10 become antiparallel. The minimum resistance value indicated by the storage element 100 is 105.3Ω. On the other hand, when the storage element 100 exhibits the maximum resistance value, the magnetization M 28 of 10% of the magnetic recording layer 20 becomes parallel to the magnetization M 10 of the first ferromagnetic layer 10, and the magnetization M 28 of the magnetic recording layer 20 is 90%. M 29 is antiparallel to the magnetization M 10 of the first ferromagnetic layer 10. The maximum resistance value indicated by the storage element 100 is 181.8Ω. The resistance change width of the storage element 100 is 76.6Ω, and the MR ratio of the storage element 100 is 72.7.

次いで、比較例2として、第1領域R1が磁気記録層20の5%の領域を占め、第2領域R2が磁気記録層20の15%の領域を占める場合における記憶素子100の抵抗変化幅を求める。記憶素子100が最小の抵抗値を示す際、磁気記録層20の95%の磁化M28は第1強磁性層10の磁化M10と平行となり、磁気記録層20の5%の磁化M29は第1強磁性層10の磁化M10と反平行となる。記憶素子100が示す最小抵抗値は、102.6Ωである。一方で、記憶素子100が最大の抵抗値を示す際、磁気記録層20の15%の磁化M28は第1強磁性層10の磁化M10と平行となり、磁気記録層20の85%の磁化M29は第1強磁性層10の磁化M10と反平行となる。記憶素子100が示す最大抵抗値は、173.9Ωである。記憶素子100の抵抗変化幅は71.3Ωであり、記憶素子100のMR比は69.6である。 Next, as Comparative Example 2, the resistance change width of the storage element 100 when the first region R1 occupies 5% of the magnetic recording layer 20 and the second region R2 occupies 15% of the magnetic recording layer 20 is determined. Ask. When the storage element 100 shows the minimum resistance value, 95% of the magnetization M 28 of the magnetic recording layer 20 is parallel to the magnetization M 10 of the first ferromagnetic layer 10, and 5% of the magnetization M 29 of the magnetic recording layer 20 is the magnetization M 10 of the first ferromagnetic layer 10 become antiparallel. The minimum resistance value indicated by the storage element 100 is 102.6Ω. On the other hand, when the storage element 100 shows the maximum resistance value, the magnetization M 28 of 15% of the magnetic recording layer 20 becomes parallel to the magnetization M 10 of the first ferromagnetic layer 10, and the magnetization M 28 of the magnetic recording layer 20 is 85%. M 29 is antiparallel to the magnetization M 10 of the first ferromagnetic layer 10. The maximum resistance value indicated by the storage element 100 is 173.9 Ω. The resistance change width of the storage element 100 is 71.3Ω, and the MR ratio of the storage element 100 is 69.6.

最後に、実施例1として、第1領域R1が磁気記録層20の15%の領域を占め、第2領域R2が磁気記録層20の5%の領域を占める場合における記憶素子100の抵抗変化幅を求める。記憶素子100が最小の抵抗値を示す際、磁気記録層20の85%の磁化M28は第1強磁性層10の磁化M10と平行となり、磁気記録層20の15%の磁化M29は第1強磁性層10の磁化M10と反平行となる。記憶素子100が示す最小抵抗値は、105.3Ωである。一方で、記憶素子100が最大の抵抗値を示す際、磁気記録層20の5%の磁化M28は第1強磁性層10の磁化M10と平行となり、磁気記録層20の95%の磁化M29は第1強磁性層10の磁化M10と反平行となる。記憶素子100が示す最大抵抗値は、190.5Ωである。記憶素子100の抵抗変化幅は82.4Ωであり、記憶素子100のMR比は76.2である。 Finally, as Example 1, the resistance change width of the storage element 100 when the first region R1 occupies 15% of the magnetic recording layer 20 and the second region R2 occupies 5% of the magnetic recording layer 20. Ask for. When the storage element 100 shows the minimum resistance value, the magnetization M 28 of 85% of the magnetic recording layer 20 is parallel to the magnetization M 10 of the first ferromagnetic layer 10, and the magnetization M 29 of 15% of the magnetic recording layer 20 is the magnetization M 10 of the first ferromagnetic layer 10 become antiparallel. The minimum resistance value indicated by the storage element 100 is 105.3Ω. On the other hand, when the storage element 100 exhibits the maximum resistance value, the 5% magnetization M 28 of the magnetic recording layer 20 becomes parallel to the magnetization M 10 of the first ferromagnetic layer 10, and 95% magnetization of the magnetic recording layer 20. M 29 is antiparallel to the magnetization M 10 of the first ferromagnetic layer 10. The maximum resistance value indicated by the storage element 100 is 190.5Ω. The resistance change width of the storage element 100 is 82.4Ω, and the MR ratio of the storage element 100 is 76.2.

実施例1、比較例1及び比較例2に示すように、磁気記録層20における第1領域R1が占める割合と第2領域R2が占める割合とを変動させると、記憶素子100の抵抗変化幅及びMR比が変動する。実施例1は、磁気記録層20における第1領域R1が占める割合が、第2領域R2が占める割合より大きいため、比較例1及び比較例2より記憶素子100の抵抗変化幅及びMR比が大きい。この関係は、この例に限られるものではなく、磁気記録層20における第1領域R1の占める割合が第2領域R2の占める割合より多いという前提の上で、第1領域R1及び第2領域R2が占めるパーセンテージを変動させた場合、及び、仮定条件として設定した抵抗値の値を変動しても変わらない。 As shown in Example 1, Comparative Example 1 and Comparative Example 2, when the ratio occupied by the first region R1 and the ratio occupied by the second region R2 in the magnetic recording layer 20 are varied, the resistance change width of the storage element 100 and the resistance change width The MR ratio fluctuates. In Example 1, since the ratio occupied by the first region R1 in the magnetic recording layer 20 is larger than the ratio occupied by the second region R2, the resistance change width and the MR ratio of the storage element 100 are larger than those of Comparative Example 1 and Comparative Example 2. .. This relationship is not limited to this example, and on the assumption that the ratio of the first region R1 in the magnetic recording layer 20 is larger than the ratio of the second region R2, the first region R1 and the second region R2 It does not change when the percentage occupied by is changed or when the value of the resistance value set as the precondition is changed.

すなわち、第1実施形態にかかる記憶素子100は、第1領域R1の第1部分R1aの面積が第2領域R2の第2部分R2aの面積より広いため、記憶素子100の抵抗変化の幅(ダイナミックレンジ)が広い。 That is, in the storage element 100 according to the first embodiment, since the area of the first portion R1a of the first region R1 is wider than the area of the second portion R2a of the second region R2, the width of the resistance change of the storage element 100 (dynamic). Range) is wide.

記憶素子100は、“1”と“0”のデジタル信号ではなく、アナログにデータを記録できる。そのため、半導体装置200は、脳を模倣したニューロモロフィックデバイスとして機能する。 The storage element 100 can record data in analog instead of digital signals of "1" and "0". Therefore, the semiconductor device 200 functions as a neuromorphic device that imitates the brain.

記憶素子100の第1強磁性層10、磁気記録層20、第1電極40のそれぞれの磁化の向きは、例えば磁化曲線を測定することにより確認できる。磁化曲線は、例えば、MOKE(Magneto Optical Kerr Effect)を用いて測定できる。MOKEによる測定は、直線偏光を測定対象物に入射させ、その偏光方向の回転等が起こる磁気光学効果(磁気Kerr効果)を用いることにより行う測定方法である。 The magnetization directions of the first ferromagnetic layer 10, the magnetic recording layer 20, and the first electrode 40 of the storage element 100 can be confirmed, for example, by measuring the magnetization curve. The magnetization curve can be measured using, for example, MOKE (Magneto Optical Kerr Effect). The measurement by MOKE is a measurement method performed by making linearly polarized light incident on an object to be measured and using a magneto-optical effect (magnetic Kerr effect) in which rotation in the polarization direction occurs.

例えば、磁気記録層20の第1領域R1、第2領域R2、第3領域R3のそれぞれの磁化の配向方向を測定する場合を例に、具体的に説明する。まず記憶素子100をz方向から研削し、第1強磁性層10を除去する。非磁性層30は、磁気記録層20の磁化の配向方向に与える影響が大きいため、非磁性層30の一部を残す。次いで、磁気記録層20の磁化M28,M29が一方向に配向するのに十分な磁場を所定の方向に印加する。そして、印加磁場を少しずつ小さくしながら、磁化曲線を測定する。測定箇所は、第1領域R1、第2領域R2、第3領域R3のそれぞれのxy平面における中心位置とする。測定した磁化曲線において、最初に印加磁場がゼロとなった時点における磁化の正負によって磁化の向きを特定できる。第1強磁性層10及び第1電極40の磁化の向きも、同様に行うことで測定できる。 For example, the case of measuring the orientation direction of the magnetization of each of the first region R1, the second region R2, and the third region R3 of the magnetic recording layer 20 will be specifically described as an example. First, the storage element 100 is ground from the z direction to remove the first ferromagnetic layer 10. Since the non-magnetic layer 30 has a large influence on the orientation direction of the magnetization of the magnetic recording layer 20, a part of the non-magnetic layer 30 is left. Next, a magnetic field sufficient for the magnetizations M 28 and M 29 of the magnetic recording layer 20 to be oriented in one direction is applied in a predetermined direction. Then, the magnetization curve is measured while gradually reducing the applied magnetic field. The measurement point is the center position in the xy plane of each of the first region R1, the second region R2, and the third region R3. In the measured magnetization curve, the direction of magnetization can be specified by the positive or negative of the magnetization when the applied magnetic field first becomes zero. The directions of magnetization of the first ferromagnetic layer 10 and the first electrode 40 can also be measured in the same manner.

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although the preferred embodiment of the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to a specific embodiment, and various within the scope of the gist of the present invention described in the claims. Can be transformed / changed.

(第1変形例)
図4は、第1実施形態にかかる半導体装置の第1変形例の平面模式図である。図4に示す記憶素子100Aは、第1電極41及び第2電極51のz方向からの平面視形状が円形である点が、図3に示す記憶素子100と異なる。その他の構成は、図3に示す記憶素子100と同様であり、同様の構成については同一の符号を付し、説明を省く。
(First modification)
FIG. 4 is a schematic plan view of a first modification of the semiconductor device according to the first embodiment. The storage element 100A shown in FIG. 4 is different from the storage element 100 shown in FIG. 3 in that the first electrode 41 and the second electrode 51 have a circular shape in a plan view from the z direction. Other configurations are the same as those of the storage element 100 shown in FIG. 3, and the same reference numerals are given to the same configurations, and the description thereof will be omitted.

磁気記録層20は、z方向からの平面視で、第1電極41及び第2電極51と重なる。図4に示す第1部分R1aの面積は、第2部分R2aの面積より広い。図4に示す例では、第1部分R1aと磁気記録層20とが重なる部分のx方向の最大の幅wx1が、第2部分R2aと磁気記録層20とが重なる部分のx方向の最大の幅wx2より広い。第1変形例にかかる記憶素子100Aにおいても、第1領域R1の第1部分R1aの面積が第2領域R2の第2部分R2aの面積より広いため、記憶素子100Aの抵抗変化の幅(ダイナミックレンジ)は広い。また第1電極41及び第2電極51のz方向からの平面視形状は、図3に示す矩形、図4に示す円形に限られず、種々の形状を選択できる。 The magnetic recording layer 20 overlaps the first electrode 41 and the second electrode 51 in a plan view from the z direction. The area of the first portion R1a shown in FIG. 4 is larger than the area of the second portion R2a. In the example shown in FIG. 4, the maximum width w x1 in the x direction of the portion where the first portion R1a and the magnetic recording layer 20 overlap is the maximum in the x direction of the portion where the second portion R2a and the magnetic recording layer 20 overlap. Wider than width w x2 . Also in the storage element 100A according to the first modification, since the area of the first portion R1a of the first region R1 is wider than the area of the second portion R2a of the second region R2, the width of the resistance change (dynamic range) of the storage element 100A. ) Is wide. The plan-view shapes of the first electrode 41 and the second electrode 51 from the z direction are not limited to the rectangle shown in FIG. 3 and the circle shown in FIG. 4, and various shapes can be selected.

(第2変形例)
図5は、第1実施形態にかかる半導体装置の第2変形例の断面模式図である。図5に示す記憶素子100Bは、第2電極52が磁性体である点が、図2に示す記憶素子100と異なる。その他の構成は、図1に示す記憶素子100と同様であり、同様の構成については同一の符号を付し、説明を省く。
(Second modification)
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a second modification of the semiconductor device according to the first embodiment. The storage element 100B shown in FIG. 5 is different from the storage element 100 shown in FIG. 2 in that the second electrode 52 is a magnetic material. Other configurations are the same as those of the storage element 100 shown in FIG. 1, and the same reference numerals are given to the same configurations, and the description thereof will be omitted.

第2電極52は、磁性体を含む。第2電極52は、例えば、一方向に配向した磁化M52を有する。第2電極52の磁化M52の向きは、第1強磁性層10の磁化M10の向きと同一であり、第1電極40の磁化M40の向きと反対である。図5に示す磁化M52は、+z方向に配向する。第2電極52の保磁力は、磁気記録層20の第3領域R3の保磁力より大きい。 The second electrode 52 contains a magnetic material. The second electrode 52 has, for example, a unidirectionally oriented magnetization M 52 . The orientation of the magnetization M 52 of the second electrode 52 is the same as the orientation of the magnetization M 10 of the first ferromagnetic layer 10, and is opposite to the orientation of the magnetization M 40 of the first electrode 40. The magnetization M 52 shown in FIG. 5 is oriented in the + z direction. The coercive force of the second electrode 52 is larger than the coercive force of the third region R3 of the magnetic recording layer 20.

第2電極52は、第1電極40と同様の構成、材料を用いることができる。例えば、第2電極は、シンセティック反強磁性構造でもよい。 The second electrode 52 can use the same structure and material as the first electrode 40. For example, the second electrode may have a synthetic antiferromagnetic structure.

第2変形例にかかる記憶素子100Bにおいても、第1領域R1の第1部分R1aの面積が第2領域R2の第2部分R2aの面積より広いため、半導体装置100Bの抵抗変化の幅(ダイナミックレンジ)は広い。第2電極52の磁化M52は、磁気記録層20の第2領域R2の磁化を固定する。第2領域R2の磁化が固定されることで、磁壁27が第2領域R2に侵入することをより抑制できる。 Even in the storage element 100B according to the second modification, since the area of the first portion R1a of the first region R1 is wider than the area of the second portion R2a of the second region R2, the width of the resistance change (dynamic range) of the semiconductor device 100B. ) Is wide. Magnetization M 52 of the second electrode 52 fixes the magnetization of the second region R2 of the magnetic recording layer 20. By fixing the magnetization of the second region R2, it is possible to further suppress the invasion of the domain wall 27 into the second region R2.

(第3変形例)
図6は、第1実施形態にかかる半導体装置の記憶素子の第3変形例の断面模式図である。図7は、第1実施形態にかかる半導体装置の記憶素子の第3変形例の平面模式図である。図6は、図7のA−A面で記憶素子をxz平面で切断した断面図である。記憶素子100Cは、記憶素子のx方向の側面の形状が異なる点が、図1に示す記憶素子100と異なる。その他の構成は、図1に示す記憶素子100と同様であり、同様の構成については同一の符号を付し、説明を省く。
(Third modification example)
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a third modification of the storage element of the semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 7 is a schematic plan view of a third modification of the storage element of the semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 6 is a cross-sectional view of the storage element cut along the xz plane on the AA plane of FIG. The storage element 100C is different from the storage element 100 shown in FIG. 1 in that the shape of the side surface of the storage element in the x direction is different. Other configurations are the same as those of the storage element 100 shown in FIG. 1, and the same reference numerals are given to the same configurations, and the description thereof will be omitted.

第1強磁性層11は、磁化M11を有し、x方向に第1側面11S1と第2側面11S2とを有する。非磁性層31は、x方向に第1側面31S1と第2側面31S2とを有する。磁気記録層21は、x方向に第1側面21S1と第2側面21S2とを有する。第1側面11S1、31S1、21S1は、第1強磁性層11、非磁性層31、磁気記録層21のそれぞれのx方向の二つの側面のうち第1電極43に近い側面である。第2側面11S2、31S2、21S2は、第1強磁性層11、非磁性層31、磁気記録層21のそれぞれのx方向の二つの側面のうち第2電極53に近い側面である。第1側面11S1、31S1、21S1及び第2側面11S2、31S2、21S2は、z方向に対して傾斜している。第1側面11S1、31S1、21S1の接線は、例えば、z方向に対して傾斜角θ1を有する。第2側面11S2、31S2、21S2の接線は、例えば、z方向に対して傾斜角θ2を有する。また傾斜角θ1及びθ2は、接線を引く接点の位置によらず一定でも、接線を引く接点の位置によって変化してもよい。図6に示す傾斜角θ1、θ2は、接線を引く位置によって変化する。 The first ferromagnetic layer 11 has a magnetization M 11 and has a first side surface 11S1 and a second side surface 11S2 in the x direction. The non-magnetic layer 31 has a first side surface 31S1 and a second side surface 31S2 in the x direction. The magnetic recording layer 21 has a first side surface 21S1 and a second side surface 21S2 in the x direction. The first side surfaces 11S1, 31S1, and 21S1 are the side surfaces of the first ferromagnetic layer 11, the non-magnetic layer 31, and the magnetic recording layer 21 which are close to the first electrode 43 among the two side surfaces in the x direction. The second side surfaces 11S2, 31S2, and 21S2 are the side surfaces of the first ferromagnetic layer 11, the non-magnetic layer 31, and the magnetic recording layer 21 which are close to the second electrode 53 among the two side surfaces in the x direction. The first side surfaces 11S1, 31S1, 21S1 and the second side surfaces 11S2, 31S2, 21S2 are inclined with respect to the z direction. The tangents of the first side surfaces 11S1, 31S1 and 21S1 have, for example, an inclination angle θ1 with respect to the z direction. The tangents of the second side surfaces 11S2, 31S2, 21S2 have, for example, an inclination angle θ2 with respect to the z direction. Further, the inclination angles θ1 and θ2 may be constant regardless of the position of the contact point for drawing the tangent line, or may be changed depending on the position of the contact point for drawing the tangent line. The inclination angles θ1 and θ2 shown in FIG. 6 change depending on the position where the tangent line is drawn.

第1電極43は、磁化M43を有する。第1電極43は、磁気記録層20のy方向の中心を通りxz平面で切断した切断面において、x方向に第1側面43S1と第2側面43S2とを有する。第2側面43S2は、第1側面43S1より第2電極53に近い位置にある。第1側面43S1は、第1傾斜部43p1と第2部43p2とを有する。第1傾斜部43p1は、z方向に対して傾斜する。第1傾斜部43p1の接線は、例えば、z方向に対して傾斜角φ1を有する。第1傾斜部43p1は、第2側面43S2よりz方向に対する傾斜角が大きい。第1側面43S1は、第1傾斜部43p1と第2部43p2との境界で不連続に変化する。 The first electrode 43 has a magnetization M 43 . The first electrode 43 has a first side surface 43S1 and a second side surface 43S2 in the x direction on a cut surface cut in the xz plane through the center of the magnetic recording layer 20 in the y direction. The second side surface 43S2 is located closer to the second electrode 53 than the first side surface 43S1. The first side surface 43S1 has a first inclined portion 43p1 and a second portion 43p2. The first inclined portion 43p1 is inclined with respect to the z direction. The tangent of the first inclined portion 43p1 has, for example, an inclination angle φ1 with respect to the z direction. The first inclined portion 43p1 has a larger inclination angle in the z direction than the second side surface 43S2. The first side surface 43S1 changes discontinuously at the boundary between the first inclined portion 43p1 and the second portion 43p2.

第1側面11S1、31S1、21S1及び第1傾斜部43p1は、連続する。例えば、XZ平面において、第1側面11S1、31S1、21S1及び第1傾斜部43p1を、連続する直線又は曲線で漸近線を描ける場合は、連続的に変化しているとみなせる。 The first side surface 11S1, 31S1, 21S1 and the first inclined portion 43p1 are continuous. For example, in the XZ plane, when the first side surfaces 11S1, 31S1, 21S1 and the first inclined portion 43p1 can draw an asymptote with continuous straight lines or curves, it can be regarded as continuously changing.

第2電極53は、磁気記録層20のy方向の中心を通りxz平面で切断した切断面において、x方向に第1側面53S1と第2側面53S2とを有する。第2側面53S2は、第1側面53S1より第1電極43に近い位置にある。第1側面53S1は、第1傾斜部53p1と第2部53p2とを有する。第1傾斜部53p1は、z方向に対して傾斜する。第1傾斜部53p1の接線は、例えば、z方向に対して傾斜角φ2を有する。第1傾斜部53p1は、第2側面53S2よりz方向に対する傾斜角が大きい。第1側面53S1は、第1傾斜部53p1と第2部53p2との境界で不連続に変化する。第2側面11S2、31S2、21S2及び第1傾斜部53p1は、連続する。 The second electrode 53 has a first side surface 53S1 and a second side surface 53S2 in the x direction on a cut surface cut in the xz plane through the center of the magnetic recording layer 20 in the y direction. The second side surface 53S2 is located closer to the first electrode 43 than the first side surface 53S1. The first side surface 53S1 has a first inclined portion 53p1 and a second portion 53p2. The first inclined portion 53p1 is inclined with respect to the z direction. The tangent of the first inclined portion 53p1 has, for example, an inclination angle φ2 with respect to the z direction. The first inclined portion 53p1 has a larger inclination angle in the z direction than the second side surface 53S2. The first side surface 53S1 changes discontinuously at the boundary between the first inclined portion 53p1 and the second portion 53p2. The second side surface 11S2, 31S2, 21S2 and the first inclined portion 53p1 are continuous.

第1側面11S1、31S1、21S1、第2側面11S2、31S2、21S2及び第1傾斜部43p1、53p1は、磁気記録層20、非磁性層30及び第1強磁性層10を順に積層したのち、これらのx方向の端部の一部を除去して形成される。端部の加工は、イオンミリング、フォトリソグラフィー等で行う。磁化は、一般に結晶粒、表面状態、段差、エッチングダメージ等により状態が異なる領域では値が異なり、相互に影響を及ぼし合う。x方向の端部の除去された後に露出する部分は、ダメージを受ける。ダメージを受けた部分は、表面状態等が変化するため、ピニングサイトとなる場合がある。ピニングサイトは、磁化が動きにくくなる部分である。ダメージにより磁化が動きにくくなるピニングサイトは、隣接する領域に影響を及ぼし磁化をより強く固定する効果を持つ。磁気記録層20の第1側面21S1は、ピニングサイトとなり、第1領域R1の磁化をより固定する。第1電極43の第1傾斜部43p1は、ピニングサイトとなり、第1電極43の磁化M43をより固定する。磁気記録層20の第1側面21S1は、ピニングサイトとなり、第1領域R1の磁化をより固定する。磁気記録層20の第2側面21S2は、ピニングサイトとなり、第2領域R2の磁化をより固定する。すなわち、第1電極43、第1領域R1及び第2領域R2の磁化は、第1傾斜部43p1、第1側面21S及び第2側面21S2を有さない場合と比較して、反転しにくくなる。第1領域R1及び第2領域R2の磁化の固定がより強くなる(磁化が反転しにくくなる)ことで、磁壁27は第1領域R1及び第2領域R2へ侵入しづらくなる。 The first side surface 11S1, 31S1, 21S1, the second side surface 11S2, 31S2, 21S2 and the first inclined portions 43p1, 53p1 are formed by laminating the magnetic recording layer 20, the non-magnetic layer 30, and the first ferromagnetic layer 10 in this order. It is formed by removing a part of the end portion in the x direction of. The edges are processed by ion milling, photolithography, or the like. Magnetization generally has different values in regions where the state is different due to crystal grains, surface state, step, etching damage, etc., and affects each other. The part exposed after the x-direction end is removed is damaged. The damaged part may become a pinning site because the surface condition changes. The pinning site is the part where the magnetization becomes difficult to move. Pinning sites, whose magnetization becomes difficult to move due to damage, have the effect of affecting adjacent regions and fixing the magnetization more strongly. The first side surface 21S1 of the magnetic recording layer 20 serves as a pinning site and further fixes the magnetization of the first region R1. The first inclined portion 43p1 of the first electrode 43 serves as a pinning site and further fixes the magnetization M 43 of the first electrode 43. The first side surface 21S1 of the magnetic recording layer 20 serves as a pinning site and further fixes the magnetization of the first region R1. The second side surface 21S2 of the magnetic recording layer 20 serves as a pinning site and further fixes the magnetization of the second region R2. That is, the magnetization of the first electrode 43, the first region R1 and the second region R2 is less likely to be inverted as compared with the case where the first inclined portion 43p1, the first side surface 21S and the second side surface 21S2 are not provided. By strengthening the fixation of the magnetization of the first region R1 and the second region R2 (the magnetization becomes difficult to reverse), the domain wall 27 becomes difficult to penetrate into the first region R1 and the second region R2.

第3変形例にかかる記憶素子100Cにおいても、第1領域R1の第1部分R1aの面積が第2領域R2の第2部分R2aの面積より広いため、記憶素子100Cの抵抗変化の幅(ダイナミックレンジ)は広い。 Also in the storage element 100C according to the third modification, since the area of the first portion R1a of the first region R1 is wider than the area of the second portion R2a of the second region R2, the width of the resistance change (dynamic range) of the storage element 100C. ) Is wide.

なお、第3変形例では、記憶素子100Cのx方向の両方の側面が傾斜している場合を示したが、いずれか一方の側面のみが傾斜していてもよい。また第2電極53は、磁性体を含んでもよい。 In the third modification, the case where both side surfaces of the storage element 100C in the x direction are inclined is shown, but only one side surface may be inclined. Further, the second electrode 53 may include a magnetic material.

(第4変形例)
図8は、第1実施形態にかかる半導体装置の記憶素子の第4変形例の断面模式図である。図8に示す記憶素子100Dは、第1側面11S1、31S1、21S1と第1傾斜部43p1とが不連続であり、第2側面11S2、31S2、21S2と第1傾斜部53p1とが不連続である点が、図8に示す第3変形例にかかる記憶素子100Cと異なる。その他の構成は、図8に示す第3変形例にかかる記憶素子100Cと同様であり、同様の構成については同一の符号を付し、説明を省く。
(Fourth modification)
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of a fourth modification of the storage element of the semiconductor device according to the first embodiment. In the storage element 100D shown in FIG. 8, the first side surfaces 11S1, 31S1, 21S1 and the first inclined portion 43p1 are discontinuous, and the second side surfaces 11S2, 31S2, 21S2 and the first inclined portion 53p1 are discontinuous. The point is different from the storage element 100C according to the third modification shown in FIG. Other configurations are the same as those of the storage element 100C according to the third modification shown in FIG. 8, and the same reference numerals are given to the same configurations, and the description thereof will be omitted.

エッチングレートの違いにより第1側面11S1、31S1、21S1と第1傾斜部43p1とは、不連続になる場合がある。同様に第2側面11S2、31S2、21S2と第1傾斜部53p1とは、不連続になる場合がある。 Due to the difference in etching rate, the first side surfaces 11S1, 31S1, 21S1 and the first inclined portion 43p1 may be discontinuous. Similarly, the second side surface 11S2, 31S2, 21S2 and the first inclined portion 53p1 may be discontinuous.

第4変形例にかかる記憶素子100Dにおいても、第1領域R1の第1部分R1aの面積が第2領域R2の第2部分R2aの面積より広いため、記憶素子100Dの抵抗変化の幅(ダイナミックレンジ)は広い。 Also in the storage element 100D according to the fourth modification, since the area of the first portion R1a of the first region R1 is wider than the area of the second portion R2a of the second region R2, the width of the resistance change (dynamic range) of the storage element 100D. ) Is wide.

また磁気記録層20の第1側面21S1、第2側面21S2及び第1傾斜部43p1は、ピニングサイトとなる。第1領域R1及び第2領域R2の磁化の固定がより強くなる(磁化が反転しにくくなる)ことで、磁壁27は第1領域R1及び第2領域R2へ侵入しづらくなる。 Further, the first side surface 21S1, the second side surface 21S2, and the first inclined portion 43p1 of the magnetic recording layer 20 serve as pinning sites. By strengthening the fixation of the magnetization of the first region R1 and the second region R2 (the magnetization becomes difficult to reverse), the domain wall 27 becomes difficult to penetrate into the first region R1 and the second region R2.

また第4変形例では、記憶素子100Dのx方向の両方の側面が傾斜している場合を示したが、いずれか一方の側面のみが傾斜していてもよい。また第2電極53は、磁性体を含んでもよい。 Further, in the fourth modification, the case where both side surfaces of the storage element 100D in the x direction are inclined is shown, but only one side surface may be inclined. Further, the second electrode 53 may include a magnetic material.

(第5変形例)
図9は、第1実施形態にかかる記憶素子の第5変形例の断面模式図である。図9に示す記憶素子100Eは、第1電極44及び第2電極54の形状が、図6に示す第3変形例にかかる記憶素子100Cと異なる。その他の構成は、図6に示す第3変形例にかかる記憶素子100Cと同様であり、同様の構成については同一の符号を付し、説明を省く。
(Fifth modification)
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of a fifth modification of the storage element according to the first embodiment. The memory element 100E shown in FIG. 9 has different shapes of the first electrode 44 and the second electrode 54 from the storage element 100C according to the third modification shown in FIG. Other configurations are the same as those of the storage element 100C according to the third modification shown in FIG. 6, and the same reference numerals are given to the same configurations, and the description thereof will be omitted.

第1電極44は、磁化M44を有する。第1電極44は、磁気記録層20のy方向の中心を通りxz平面で切断した切断面において、x方向に第1側面44S1と第2側面44S2とを有する。第2側面44S2は、第1側面44S1より第2電極54に近い位置にある。第1側面44S1は、第1傾斜部44p1と第2傾斜部44p2とを有する。第1傾斜部44p1及び第2傾斜部44p2は、z方向に対して傾斜する。第1傾斜部44p1の接線は、例えば、z方向に対して傾斜角φ3を有する。第2傾斜部44p2の接線は、例えば、z方向に対して傾斜角φ4を有する。第1傾斜部44p1は、第2側面44S2よりz方向に対する傾斜角が大きい。第1側面44S1は、第1傾斜部44p1と第2傾斜部44p2との境界で不連続に変化する。 The first electrode 44 has a magnetization M 44 . The first electrode 44 has a first side surface 44S1 and a second side surface 44S2 in the x direction on a cut surface cut in the xz plane through the center of the magnetic recording layer 20 in the y direction. The second side surface 44S2 is located closer to the second electrode 54 than the first side surface 44S1. The first side surface 44S1 has a first inclined portion 44p1 and a second inclined portion 44p2. The first inclined portion 44p1 and the second inclined portion 44p2 are inclined with respect to the z direction. The tangent line of the first inclined portion 44p1 has, for example, an inclination angle φ3 with respect to the z direction. The tangent of the second inclined portion 44p2 has, for example, an inclination angle φ4 with respect to the z direction. The first inclined portion 44p1 has a larger inclination angle in the z direction than the second side surface 44S2. The first side surface 44S1 changes discontinuously at the boundary between the first inclined portion 44p1 and the second inclined portion 44p2.

第2電極54は、xz平面で切断した切断面において、x方向に第1側面54S1と第2側面54S2とを有する。第2側面54S2は、第1側面54S1より第1電極44に近い位置にある。第1側面54S1は、第1傾斜部54p1と第2傾斜部54p2とを有する。第1傾斜部54p1及び第2傾斜部54p2は、z方向に対して傾斜する。第1傾斜部54p1の接線は、例えば、z方向に対して傾斜角φ5を有する。第2傾斜部54p2の接線は、例えば、z方向に対して傾斜角φ6を有する。第1傾斜部54p1は、第2側面54S2よりz方向に対する傾斜角が大きい。第1側面54S1は、第1傾斜部54p1と第2傾斜部54p2との境界で不連続に変化する。 The second electrode 54 has a first side surface 54S1 and a second side surface 54S2 in the x direction on a cut surface cut in the xz plane. The second side surface 54S2 is located closer to the first electrode 44 than the first side surface 54S1. The first side surface 54S1 has a first inclined portion 54p1 and a second inclined portion 54p2. The first inclined portion 54p1 and the second inclined portion 54p2 are inclined with respect to the z direction. The tangent line of the first inclined portion 54p1 has, for example, an inclination angle φ5 with respect to the z direction. The tangent line of the second inclined portion 54p2 has, for example, an inclination angle φ6 with respect to the z direction. The first inclined portion 54p1 has a larger inclination angle in the z direction than the second side surface 54S2. The first side surface 54S1 changes discontinuously at the boundary between the first inclined portion 54p1 and the second inclined portion 54p2.

第5変形例にかかる記憶素子100Eにおいても、第1領域R1の第1部分R1aの面積が第2領域R2の第2部分R2aの面積より広いため、記憶素子100Eの抵抗変化の幅(ダイナミックレンジ)は広い。 Also in the storage element 100E according to the fifth modification, since the area of the first portion R1a of the first region R1 is wider than the area of the second portion R2a of the second region R2, the width of the resistance change (dynamic range) of the storage element 100E. ) Is wide.

また磁気記録層20の第1側面21S1、第2側面21S2及び第1傾斜部44p1は、ピニングサイトとなる。第1領域R1及び第2領域R2の磁化の固定がより強くなる(磁化が反転しにくくなる)ことで、磁壁27の第1領域R1及び第2領域R2への侵入しづらくなる。 Further, the first side surface 21S1, the second side surface 21S2, and the first inclined portion 44p1 of the magnetic recording layer 20 serve as pinning sites. By strengthening the fixation of the magnetization of the first region R1 and the second region R2 (the magnetization is less likely to be reversed), it becomes difficult for the domain wall 27 to invade the first region R1 and the second region R2.

また第5変形例では、記憶素子100Eのx方向の両方の側面が傾斜している場合を示したが、いずれか一方の側面のみが傾斜していてもよい。また第1電極44及び第2電極54のxz切断面における形状は、+z方向の上底の長さが−z方向の下底の長さより短い台形に限られず、+z方向の上底の長さが−z方向の下底の長さより長い台形でもよい。また第2電極54は、磁性体を含んでもよい。 Further, in the fifth modification, the case where both side surfaces of the storage element 100E in the x direction are inclined is shown, but only one side surface may be inclined. The shape of the first electrode 44 and the second electrode 54 on the xz cut surface is not limited to a trapezoid in which the length of the upper base in the + z direction is shorter than the length of the lower base in the −z direction, and the length of the upper base in the + z direction. May be a trapezoid longer than the length of the lower base in the −z direction. Further, the second electrode 54 may contain a magnetic material.

[第2実施形態]
図10は、第2実施形態にかかる半導体装置の断面模式図である。図10に示す半導体装置201は、第1強磁性層10が磁気記録層20より基板60の近くに位置するボトムピン構造である点が、第1実施形態にかかる半導体装置200と異なる。その他の構成は、図1に示す半導体装置200と同様であり、同様の構成については同一の符号を付し、説明を省く。
[Second Embodiment]
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of the semiconductor device according to the second embodiment. The semiconductor device 201 shown in FIG. 10 is different from the semiconductor device 200 according to the first embodiment in that the first ferromagnetic layer 10 has a bottom pin structure located closer to the substrate 60 than the magnetic recording layer 20. Other configurations are the same as those of the semiconductor device 200 shown in FIG. 1, and the same reference numerals are given to the same configurations, and the description thereof will be omitted.

図11は、第2実施形態にかかる半導体装置の記憶素子の断面模式図である。半導体装置101は、第1強磁性層10と磁気記録層20と非磁性層30と第1電極40と第2電極50とを有する。第1電極40と第2電極50の間には、絶縁層81が設けられている。 FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of the storage element of the semiconductor device according to the second embodiment. The semiconductor device 101 has a first ferromagnetic layer 10, a magnetic recording layer 20, a non-magnetic layer 30, a first electrode 40, and a second electrode 50. An insulating layer 81 is provided between the first electrode 40 and the second electrode 50.

絶縁層81は、第1実施形態における絶縁層80と同様のものが用いられる。絶縁層81は、磁気記録層20の非磁性層30側の面と反対側の面に形成されている。絶縁層81は、磁気記録層20の第3領域R3を覆う。絶縁層81は、キャップ層としても機能する。キャップ層は、磁気記録層20の磁化の配向性を高め、磁気記録層20を保護するための層である。キャップ層が絶縁体であることで、磁壁27を駆動するための電流が絶縁層81側に分流することが避けられる。 As the insulating layer 81, the same one as that of the insulating layer 80 in the first embodiment is used. The insulating layer 81 is formed on the surface of the magnetic recording layer 20 opposite to the surface on the non-magnetic layer 30 side. The insulating layer 81 covers the third region R3 of the magnetic recording layer 20. The insulating layer 81 also functions as a cap layer. The cap layer is a layer for enhancing the orientation of the magnetization of the magnetic recording layer 20 and protecting the magnetic recording layer 20. Since the cap layer is an insulator, it is possible to prevent the current for driving the domain wall 27 from being diverted to the insulating layer 81 side.

ボトムピン構造の半導体装置101は、以下の手順で作製される。まず基板60上に第1トランジスタTr1、第2トランジスタTr2、第3トランジスタTr3、第1配線Cm、第2配線Wp及び第3配線Rpを絶縁層80を介して形成する。そして、絶縁層80の一面に、第1強磁性層10、非磁性層30及び磁気記録層20を順に積層し、それぞれの層を所定の形状に加工する。そして第1強磁性層10、非磁性層30及び磁気記録層20の周囲を更に絶縁層80で覆う。磁気記録層20及び絶縁層80の表面を平坦化した後、第1電極40及び第2電極50を形成する。そして第1電極40及び第2電極50の間を絶縁層81で埋めることで、半導体装置201が得られる。 The semiconductor device 101 having a bottom pin structure is manufactured by the following procedure. First, the first transistor Tr1, the second transistor Tr2, the third transistor Tr3, the first wiring Cm, the second wiring Wp, and the third wiring Rp are formed on the substrate 60 via the insulating layer 80. Then, the first ferromagnetic layer 10, the non-magnetic layer 30, and the magnetic recording layer 20 are laminated in this order on one surface of the insulating layer 80, and each layer is processed into a predetermined shape. Then, the periphery of the first ferromagnetic layer 10, the non-magnetic layer 30, and the magnetic recording layer 20 is further covered with an insulating layer 80. After flattening the surfaces of the magnetic recording layer 20 and the insulating layer 80, the first electrode 40 and the second electrode 50 are formed. Then, the semiconductor device 201 is obtained by filling the space between the first electrode 40 and the second electrode 50 with the insulating layer 81.

第2実施形態にかかる記憶素子101においても、第1領域R1の第1部分R1aの面積が第2領域R2の第2部分R2aの面積より広いため、記憶素子101の抵抗変化の幅(ダイナミックレンジ)は広い。 Also in the storage element 101 according to the second embodiment, since the area of the first portion R1a of the first region R1 is wider than the area of the second portion R2a of the second region R2, the width of the resistance change (dynamic range) of the storage element 101. ) Is wide.

第2実施形態にかかる記憶素子101は、第1実施形態にかかる記憶素子100と同様の変形例を選択できる。 The storage element 101 according to the second embodiment can select a modification similar to the storage element 100 according to the first embodiment.

(第6変形例)
図12は、第2実施形態にかかる記憶素子の第6変形例の断面模式図である。図12に示す記憶素子101Bは、第1電極45及び第2電極55の形状、磁壁移動層20の第1部分R1a’及び第2部分R2a’の形状、及び、第1電極45及び第2電極55と絶縁層81との関係が、図11に示す第2実施形態にかかる記憶素子101と異なる。その他の構成は、図11に示す第2実施形態にかかる記憶素子101と同様であり、同様の構成については同一の符号を付し、説明を省く。
(6th modification)
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of a sixth modification of the storage element according to the second embodiment. The storage element 101B shown in FIG. 12 has the shapes of the first electrode 45 and the second electrode 55, the shapes of the first portion R1a'and the second portion R2a'of the domain wall moving layer 20, and the first electrode 45 and the second electrode. The relationship between the 55 and the insulating layer 81 is different from that of the storage element 101 according to the second embodiment shown in FIG. Other configurations are the same as those of the storage element 101 according to the second embodiment shown in FIG. 11, and the same reference numerals are given to the same configurations, and the description thereof will be omitted.

磁壁移動層20の第1領域R1は、第1部分R1a’を有する。第1部分R1a’は、第1領域R1において第1電極45と対向する面である。第1部分R1a’は、例えば、第1領域R1において第1電極45と接する面である。磁壁移動層20の第2領域R2は、第2部分R2a’を有する。第2部分R2a’は、第2領域R2において、第2電極50と対向する面である。第2部分R2a’は、例えば、第2領域R2において第2電極55と接する面である。第1部分R1a’の面積は、第2部分R2a’の面積より広い。第1部分R1a’及び第2部分R2a’は、z方向に対してx方向に傾斜している。磁壁移動層20のz方向の表面である第1面20aと第1部分R1a’及び第2部分R2a’は、不連続である。第1部分R1a’及び第2部分R2a’は、絶縁層81の一部を除去する際に磁壁移動層20の一部がミリングされ、形成される。 The first region R1 of the domain wall moving layer 20 has a first portion R1a'. The first portion R1a'is a surface facing the first electrode 45 in the first region R1. The first portion R1a'is, for example, a surface in contact with the first electrode 45 in the first region R1. The second region R2 of the domain wall moving layer 20 has a second portion R2a'. The second portion R2a'is a surface facing the second electrode 50 in the second region R2. The second portion R2a'is, for example, a surface in contact with the second electrode 55 in the second region R2. The area of the first portion R1a'is larger than the area of the second portion R2a'. The first portion R1a'and the second portion R2a' are inclined in the x direction with respect to the z direction. The first surface 20a, the first portion R1a'and the second portion R2a', which are the surfaces of the domain wall moving layer 20 in the z direction, are discontinuous. The first portion R1a'and the second portion R2a'are formed by milling a part of the domain wall moving layer 20 when a part of the insulating layer 81 is removed.

また磁気記録層20の第1部分R1a’及び第2部分R2a’は、ピニングサイトとなる。第1領域R1及び第2領域R2の磁化の固定がより強くなる(磁化が反転しにくくなる)ことで、磁壁27の第1領域R1及び第2領域R2への侵入しづらくなる。 Further, the first portion R1a'and the second portion R2a'of the magnetic recording layer 20 serve as pinning sites. By strengthening the fixation of the magnetization of the first region R1 and the second region R2 (the magnetization is less likely to be reversed), it becomes difficult for the domain wall 27 to invade the first region R1 and the second region R2.

第1電極45及び第2電極55は、磁気記録層20のy方向の中心を通るxz平面で切断した切断面において、表面45a、55aが円弧状の凸形状である。第1電極45及び第2電極55は、表面張力により表面が円弧状に形成される場合がある。 The surfaces 45a and 55a of the first electrode 45 and the second electrode 55 have an arcuate convex shape on a cut surface cut in the xz plane passing through the center of the magnetic recording layer 20 in the y direction. The surfaces of the first electrode 45 and the second electrode 55 may be formed in an arc shape due to surface tension.

絶縁層81の表面81aは、第1電極45及び第2電極55の表面45a、55aの少なくとも一部より−z方向に位置する。絶縁層81のx方向の2つの側面81S1、81S2は、z方向に対してx方向に傾斜している。側面81S1、81S2は、ミリングにより形成される。 The surface 81a of the insulating layer 81 is located in the −z direction from at least a part of the surfaces 45a and 55a of the first electrode 45 and the second electrode 55. The two side surfaces 81S1 and 81S2 of the insulating layer 81 in the x direction are inclined in the x direction with respect to the z direction. The side surfaces 81S1 and 81S2 are formed by milling.

第6変形例にかかる記憶素子101Bにおいても、第1領域R1の第1部分R1a’の面積が第2領域R2の第2部分R2a’の面積より広いため、記憶素子101Bの抵抗変化の幅(ダイナミックレンジ)は広い。 Also in the storage element 101B according to the sixth modification, since the area of the first portion R1a'of the first region R1 is wider than the area of the second portion R2a'of the second region R2, the width of the resistance change of the storage element 101B ( Dynamic range) is wide.

[第3実施形態]
図13は、第3実施形態にかかる磁気記録アレイの構成図である。磁気記録アレイ300は、記憶素子100と、第1配線Cm1〜Cmnと、第2配線Wp1〜Wpnと、第3配線Rp1〜Rpnと、第1スイッチング素子110と、第2スイッチング素子120と、第3スイッチング素子130とを備える。図1に示す第1配線Cmは、図12に示す第1配線Cm1〜Cmnのうちの一つである。図1に示す第2配線Wpは、図12に示す第2配線Wp1〜Wpnのうちの一つである。図1に示す第3配線Rpは、図12に示す第3配線Rp1〜Rpnのうちの一つである。第1スイッチング素子110は、例えば、図1に示す第3トランジスタTr3である。第2スイッチング素子120は、例えば、図1に示す第1トランジスタTr1である。第3スイッチング素子130は、例えば、図1に示す第2トランジスタTr2である。また記憶素子100は、図1に示すものに限られず、その他の変形例、その他の実施形態の構成でもよい。
[Third Embodiment]
FIG. 13 is a block diagram of the magnetic recording array according to the third embodiment. The magnetic recording array 300 includes a storage element 100, a first wiring Cm1 to Cmn, a second wiring Wp1 to Wpn, a third wiring Rp1 to Rpn, a first switching element 110, a second switching element 120, and a second. It includes 3 switching elements 130. The first wiring Cm shown in FIG. 1 is one of the first wirings Cm1 to Cmn shown in FIG. The second wiring Wp shown in FIG. 1 is one of the second wirings Wp1 to Wpn shown in FIG. The third wiring Rp shown in FIG. 1 is one of the third wirings Rp1 to Rpn shown in FIG. The first switching element 110 is, for example, the third transistor Tr3 shown in FIG. The second switching element 120 is, for example, the first transistor Tr1 shown in FIG. The third switching element 130 is, for example, the second transistor Tr2 shown in FIG. Further, the storage element 100 is not limited to the one shown in FIG. 1, and may have other modifications or configurations of other embodiments.

<第1配線、第2配線、第3配線>
第1配線Cm1〜Cmnは、共通配線である。共通配線は、データの書き込み時及び読み出し時の両方で用いられる配線である。第1配線Cm1〜Cmnは、基準電位と電気的に接続されている。例えば、第1配線Cm1〜Cmnが接地されている場合、基準電位はグラウンドとなる。また第1配線Cm1〜Cmnは、複数の記憶素子100のうち少なくとも一つの記憶素子100に接続されている。第1配線Cm1〜Cmnは、複数の記憶素子100のそれぞれに設けられてもよいし、複数の記憶素子100に亘って設けられてもよい。
<1st wiring, 2nd wiring, 3rd wiring>
The first wirings Cm1 to Cmn are common wirings. The common wiring is wiring used both when writing data and when reading data. The first wirings Cm1 to Cmn are electrically connected to the reference potential. For example, when the first wirings Cm1 to Cmn are grounded, the reference potential is ground. Further, the first wirings Cm1 to Cmn are connected to at least one storage element 100 among the plurality of storage elements 100. The first wirings Cm1 to Cmn may be provided in each of the plurality of storage elements 100, or may be provided over the plurality of storage elements 100.

第2配線Wp1〜Wpnは、書き込み配線である。第2配線Wp1〜Wpnは、複数の記憶素子100のうち少なくとも2つ以上の記憶素子100と電気的に接続されている。第2配線Wp1〜Wpnは、磁気記録アレイ300の使用時に、電源と接続される。 The second wirings Wp1 to Wpn are write wirings. The second wirings Wp1 to Wpn are electrically connected to at least two or more storage elements 100 among the plurality of storage elements 100. The second wirings Wp1 to Wpn are connected to the power supply when the magnetic recording array 300 is used.

第3配線Rp1〜Rpnは、読み出し配線である。第3配線Rp1〜Rpnは、複数の記憶素子100のうち少なくとも1つ以上の記憶素子100と電気的に接続されている。第3配線Rp1〜Rpnは、磁気記録アレイ300の使用時に、電源と接続される。 The third wirings Rp1 to Rpn are read wirings. The third wirings Rp1 to Rpn are electrically connected to at least one or more storage elements 100 among the plurality of storage elements 100. The third wirings Rp1 to Rpn are connected to a power source when the magnetic recording array 300 is used.

<第1スイッチング素子、第2スイッチング素子、第3スイッチング素子>
第1スイッチング素子110は、記憶素子100のそれぞれと第1配線Cm1〜Cmnとの間に接続されている。第2スイッチング素子120は、記憶素子100のそれぞれと第2配線Wp1〜Wpnとの間に接続されている。第3スイッチング素子130は、記憶素子100のそれぞれと第3配線Rp1〜Rpnとの間に接続されている。
<1st switching element, 2nd switching element, 3rd switching element>
The first switching element 110 is connected between each of the storage elements 100 and the first wirings Cm1 to Cmn. The second switching element 120 is connected between each of the storage elements 100 and the second wirings Wp1 to Wpn. The third switching element 130 is connected between each of the storage elements 100 and the third wirings Rp1 to Rpn.

第1スイッチング素子110及び第2スイッチング素子120をONにすると、所定の記憶素子100に接続された第1配線Cm1〜Cmnと第2配線Wp1〜Wpnとの間に書き込み電流が流れる。第1スイッチング素子110及び第3スイッチング素子130をONにすると、所定の記憶素子100に接続された第1配線Cm1〜Cmnと第3配線Rp1〜Rpnとの間に読み出し電流が流れる。 When the first switching element 110 and the second switching element 120 are turned on, a write current flows between the first wirings Cm1 to Cmn and the second wirings Wp1 to Wpn connected to the predetermined storage element 100. When the first switching element 110 and the third switching element 130 are turned on, a read current flows between the first wirings Cm1 to Cmn and the third wirings Rp1 to Rpn connected to the predetermined storage element 100.

第1スイッチング素子110、第2スイッチング素子120及び第3スイッチング素子130は、電流の流れを制御する素子である。例えば、第1スイッチング素子110、第2スイッチング素子120及び第3スイッチング素子130として、トランジスタ、オボニック閾値スイッチ(OTS:Ovonic Threshold Switch)のように結晶層の相変化を利用したもの、金属絶縁体転移(MIT)スイッチのようにバンド構造の変化を利用したもの、ツェナーダイオード及びアバランシェダイオードのように降伏電圧を利用したもの、原子位置の変化に伴い伝導性が変化するもの等を用いることができる。 The first switching element 110, the second switching element 120, and the third switching element 130 are elements that control the flow of current. For example, as the first switching element 110, the second switching element 120, and the third switching element 130, a transistor, an Ovonic Threshold Switch (OTS) that utilizes a phase change of a crystal layer, a metal insulator transition, etc. A switch that utilizes a change in band structure such as a (MIT) switch, a switch that utilizes a breakdown voltage such as a Zener diode and an avalanche diode, and a switch whose conductivity changes as the atomic position changes can be used.

第2スイッチング素子120及び第3スイッチング素子130は、一つの第2配線Wp1〜Wpn又は一つの第3配線Rp1〜Rpnに接続された記憶素子100で、共用してもよい。例えば、いずれかの第2配線Wpnの上流側に一つの第2スイッチング素子120を設けてもよい。また例えば、いずれかの第3配線Rpnの上流側に一つの第3スイッチング素子130を設けてもよい。各記憶素子100に接続された第1スイッチング素子110のON/OFFを切り替えることで、特定の記憶素子100を選択できる。 The second switching element 120 and the third switching element 130 may be shared by the storage elements 100 connected to one second wiring Wp1 to Wpn or one third wiring Rp1 to Rpn. For example, one second switching element 120 may be provided on the upstream side of any second wiring Wpn. Further, for example, one third switching element 130 may be provided on the upstream side of any third wiring Rpn. A specific storage element 100 can be selected by switching ON / OFF of the first switching element 110 connected to each storage element 100.

磁気記録アレイ300は、記憶素子100が複数集積されている。それぞれの記憶素子100の抵抗変化の幅(ダイナミックレンジ)は広い。したがって、それぞれの記憶素子100が記録するデータのノイズによる影響が抑制され、磁気記録アレイ300のデータの信頼性がより高まる。 A plurality of storage elements 100 are integrated in the magnetic recording array 300. The width (dynamic range) of the resistance change of each storage element 100 is wide. Therefore, the influence of noise on the data recorded by each storage element 100 is suppressed, and the reliability of the data of the magnetic recording array 300 is further enhanced.

10、11 第1強磁性層
20、21 磁気記録層
27 磁壁
28 第1磁区
29 第2磁区
30、31 非磁性層
40、41、43、44、45 第1電極
50、51、52、53、54、55 第2電極
60 基板
70 層間絶縁膜
80 絶縁層
100、100A、100B、100C、100D、100E、101 半導体装置
110 第1スイッチング素子
120 第2スイッチング素子
130 第3スイッチング素子
200 磁気記録アレイ
20a、40a、50a、60a 第1面
20b 第2面
11S1、21S1、31S1、43S1、44S1、53S1、54S1 第1側面
11S2、21S2、31S2、43S2、44S2、53S2、54S2 第2側面
43p1、44p1、53p1、54p1 第1傾斜部
43p2、53p2 第2部
44p2、54p2 第2傾斜部
R1 第1領域
R1a、R1a’ 第1部分
R2a、R2a’ 第2部分
R2 第2領域
R3 第3領域
10、M11、M28、M29、M40、M43、M44、M52 磁化
Cm1〜Cmn 第1配線
Wp1〜Wpn 第2配線
Rp1〜Rpn 第3配線
10, 11 First ferromagnetic layers 20, 21 Magnetic recording layer 27 Magnetic wall 28 First magnetic domain 29 Second magnetic domain 30, 31 Non-magnetic layers 40, 41, 43, 44, 45 First electrodes 50, 51, 52, 53, 54, 55 Second electrode 60 Substrate 70 Interlayer insulation film 80 Insulation layer 100, 100A, 100B, 100C, 100D, 100E, 101 Semiconductor device 110 First switching element 120 Second switching element 130 Third switching element 200 Magnetic recording array 20a , 40a, 50a, 60a 1st surface 20b 2nd surface 11S1, 21S1, 31S1, 43S1, 44S1, 53S1, 54S1 1st side surface 11S2, 21S2, 31S2, 43S2, 44S2, 53S2, 54S2 2nd surface 43p1, 44p1, 53p1 , 54p1 1st inclined part 43p2, 53p2 2nd part 44p2, 54p2 2nd inclined part R1 1st region R1a, R1a'1st part R2a, R2a' 2nd part R2 2nd region R3 3rd region M 10 , M 11 , M 28 , M 29 , M 40 , M 43 , M 44 , M 52 Magnetized Cm1 to Cmn 1st wiring Wp1 to Wpn 2nd wiring Rp1 to Rpn 3rd wiring

Claims (10)

第1強磁性層と、
前記第1強磁性層に対して第1方向に位置し、第2方向に延びる磁気記録層と、
前記第1強磁性層と前記磁気記録層との間に位置する非磁性層と、
前記磁気記録層の前記非磁性層と反対側に位置し、前記第1方向において前記磁気記録層の一部とそれぞれ重なる第1電極と第2電極と、を備え、
前記第1電極は、前記第1強磁性層の磁化の向きと異なる方向に磁化が配向した磁性体を含み、
前記磁気記録層は、前記第1電極及び前記第1強磁性層と前記第1方向において重なる第1領域と、前記第2電極及び前記第1強磁性層と前記第1方向において重なる第2領域と、前記第1領域と前記第2領域とに挟まれる第3領域とを有し、
前記第1領域の前記第1電極と対向する第1部分の面積は、前記第2領域の前記第2電極と対向する第2部分の面積より広く、
前記第1強磁性層は、前記第1方向において前記第1電極及び前記第2電極の一部と重なる、磁壁移動素子。
The first ferromagnetic layer and
A magnetic recording layer located in the first direction with respect to the first ferromagnetic layer and extending in the second direction,
A non-magnetic layer located between the first ferromagnetic layer and the magnetic recording layer,
A first electrode and a second electrode located on the opposite side of the magnetic recording layer to the non-magnetic layer and overlapping a part of the magnetic recording layer in the first direction are provided.
The first electrode contains a magnetic material whose magnetization is oriented in a direction different from the magnetization direction of the first ferromagnetic layer.
The magnetic recording layer has a first region that overlaps the first electrode and the first ferromagnetic layer in the first direction, and a second region that overlaps the second electrode and the first ferromagnetic layer in the first direction. And a third region sandwiched between the first region and the second region.
The area of the first portion of the first region facing the first electrode is larger than the area of the second portion of the second region facing the second electrode.
The first ferromagnetic layer is a domain wall moving element that overlaps the first electrode and a part of the second electrode in the first direction.
前記第2電極は、前記第1強磁性層の磁化の向きと同じ方向に磁化が配向した磁性体を含む、請求項1に記載の磁壁移動素子。 The domain wall moving element according to claim 1, wherein the second electrode contains a magnetic material whose magnetization is oriented in the same direction as the magnetization of the first ferromagnetic layer. 基板をさらに有し、
前記第1強磁性層は、前記磁気記録層より前記基板の近くに位置する、請求項1又は2に記載の磁壁移動素子。
Has more boards,
The domain wall moving element according to claim 1 or 2, wherein the first ferromagnetic layer is located closer to the substrate than the magnetic recording layer.
前記磁気記録層の前記第3領域を覆う絶縁層をさらに有する、請求項3に記載の磁壁移動素子。 The domain wall moving element according to claim 3, further comprising an insulating layer covering the third region of the magnetic recording layer. 基板をさらに有し、
前記第1強磁性層は、前記磁気記録層より前記基板から遠い位置にある、請求項1〜4のいずれか一項に記載の磁壁移動素子。
Has more boards,
The domain wall moving element according to any one of claims 1 to 4, wherein the first ferromagnetic layer is located at a position farther from the substrate than the magnetic recording layer.
前記磁気記録層の前記第2方向の側面は、前記第1方向に対して傾斜する、請求項5に記載の磁壁移動素子。 The magnetic wall moving element according to claim 5, wherein the side surface of the magnetic recording layer in the second direction is inclined with respect to the first direction. 前記第1電極は、前記第1方向に対して傾斜する第1傾斜部を有する、請求項5又は6に記載の磁壁移動素子。 The domain wall moving element according to claim 5 or 6, wherein the first electrode has a first inclined portion that is inclined with respect to the first direction. 前記磁気記録層の前記第1方向及び前記第2方向に直交する前記第3方向の中心を通り、前記第1方向及び前記第2方向に広がる切断面において、
前記第1電極は、第1側面と、前記第1側面より前記第2電極の近くに位置する第2側面と、を有し、
前記第1側面は、前記第2側面の前記第1方向に対する傾斜角より大きな傾斜角を有する部分を有する、請求項5〜7のいずれか一項に記載の磁壁移動素子。
In a cut surface extending in the first direction and the second direction through the center of the first direction and the third direction orthogonal to the second direction of the magnetic recording layer.
The first electrode has a first side surface and a second side surface located closer to the second electrode than the first side surface.
The magnetic wall moving element according to any one of claims 5 to 7, wherein the first side surface has a portion having an inclination angle larger than the inclination angle of the second side surface with respect to the first direction.
前記磁気記録層の前記第1方向及び前記第2方向に直交する前記第3方向の中心を通り、前記第1方向及び前記第2方向に広がる切断面において、
前記第1電極は、第1側面と、前記第1側面より前記第2電極の近くに位置する第2側面と、を有し、
前記第1側面は、前記第1方向に対する傾きが不連続に変化する部分を有する、請求項5〜8のいずれか一項に記載の磁壁移動素子。
In a cut surface extending in the first direction and the second direction through the center of the first direction and the third direction orthogonal to the second direction of the magnetic recording layer.
The first electrode has a first side surface and a second side surface located closer to the second electrode than the first side surface.
The domain wall moving element according to any one of claims 5 to 8, wherein the first side surface has a portion in which the inclination with respect to the first direction changes discontinuously.
請求項1〜9のいずれか一項に記載の磁壁移動素子を複数有する、磁気記録アレイ。 A magnetic recording array having a plurality of domain wall moving elements according to any one of claims 1 to 9.
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