JP3833990B2

JP3833990B2 - Magnetoresistive element and magnetic memory device

Info

Publication number: JP3833990B2
Application number: JP2002325124A
Authority: JP
Inventors: 実天野; 達也岸; 正甲斐; 勝哉西山; 俊彦永瀬; 好昭斉藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-11-08
Filing date: 2002-11-08
Publication date: 2006-10-18
Anticipated expiration: 2022-11-08
Also published as: JP2004158766A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気抵抗効果素子およびメモリセルに磁気抵抗効果素子を用いた磁気メモリ装置たとえば磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）などに関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）は、情報を記憶するセル部に磁気抵抗効果を持つ磁気素子を用いたメモリ装置であり、高速動作、大容量および不揮発性を実現可能な次世代メモリ装置として注目されている。磁気抵抗効果とは、強磁性体に磁場を印加すると強磁性体の磁化の向きに応じて電気抵抗が変化する現象である。こうした強磁性体の磁化の向きを情報の記憶に用い、それに対応する電気抵抗の大小で情報を読み出すことによりメモリ装置（ＭＲＡＭ）として動作させることができる。近年、２つの強磁性層の間に絶縁層（トンネルバリア層）を挟んだサンドイッチ構造を含む強磁性トンネル接合において、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ効果）により２０％以上の磁気抵抗変化率（ＭＲ比）が得られるようになった。このことをきっかけとして、トンネル磁気抵抗効果を利用した強磁性トンネル接合磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）を用いたＭＲＡＭが期待と注目を集めている。
【０００３】
ＭＲＡＭにＴＭＲ素子を用いる場合、トンネルバリア層を挟む２つの強磁性層のうち、一方を磁化の向きが変化しないように固着した磁化固着層（磁化基準層）とし、他方を磁化の向きが反転しやすい磁化自由層（記憶層）とする。磁化固着層と磁化自由層との磁化の向きが平行な状態と反平行な状態を２進情報の“０”と“１”に対応付けることで情報を記憶することができる。記録情報の書き込みは、ＴＭＲ素子近傍に設けられた書き込み配線に電流を流して発生する誘導磁場により磁化自由層の磁化の向きを反転させることにより行う。また、記録情報の読み出しは、ＴＭＲ効果による抵抗変化分を検出することにより行う。
【０００４】
従って、磁化自由層に関しては、ＴＭＲ効果による抵抗変化率（ＭＲ比）が大きく、磁化反転に必要な磁場すなわちスイッチング磁場が小さいことが好ましい。一方、磁化固着層に関しては、磁化が反転しにくくなるように磁化の向きを固定することが必要であり、そのためには、強磁性層に接するように反強磁性層を設けて交換結合力により磁化反転を起こりにくくするという方法が用いられる。この構造において磁化固着層の磁化の向きは磁場を印加しながら熱処理すること（磁化固着アニール）により決定される。
【０００５】
ここで、従来のＭＲＡＭの問題点について説明する。図６に、従来のＭＲＡＭを構成する二重接合ＴＭＲ素子を模式的に示す。このＴＭＲ素子は、ＩｒＭｎ第１反強磁性層１、ＣｏＦｅ第１磁化固着層（第１ピン層）２、Ａｌ₂Ｏ₃第１トンネルバリア層３、ＣｏＦｅＮｉ磁化自由層（フリー層）４、Ａｌ₂Ｏ₃第２トンネルバリア層５、ＣｏＦｅ第２磁化固着層（第２ピン層）６、ＩｒＭｎ第２反強磁性層７を積層した構造を有する。こうしたＴＭＲ素子は、ＭＲＡＭのメモリセルとして所定の形状に加工される。図６に示されるように、第１ピン層２と第２ピン層６の磁化の向きは、互いに平行になっている。
【０００６】
スイッチング特性の観点から、ＴＭＲ素子の抵抗−磁場ヒステリシス曲線（以下、Ｒ−Ｈカーブという）は原点に対し対称であることが好ましいが、従来は種々の磁気的な結合に起因して、Ｒ−Ｈカーブが原点からシフトするという問題が発生していた。このようなＲ−Ｈカーブのシフトが起こると、トンネルバリア層を挟む磁化固着層と磁化自由層との間で、磁化固着層の磁化に対して磁化自由層の磁化が平行から反平行へスイッチングする磁場の大きさと、反平行から平行へスイッチングする磁場の大きさが異なるようになる。その結果、磁化反転に必要な書き込み電流が正負のどちらかで大きくなる、Ｒ−Ｈカーブのシフトが大きすぎて磁化平行または磁化反平行のいずれかの状態に固定される、シフト量のばらつきに応じて非選択セルでの誤書き込みが起こるなど、多くの問題が起こる。
【０００７】
上述したＲ−Ｈカーブのシフトを引き起こす原因となる磁気的な結合は２つに大別され、それぞれ図７（ａ）および（ｂ）に示すようなシフトを引き起こす。
【０００８】
ひとつは、各強磁性層の加工により形成された端面から発生する漏洩磁場（図６に破線矢印で表示）による静磁結合である。この場合、トンネルバリア層を挟む磁化固着層と磁化自由層の磁化が反平行になろうとする力が働き、図７（ａ）に示すようなＲ−Ｈカーブのシフトが引き起こされる。この漏洩磁場の静磁結合によるＲ−Ｈカーブのシフト量Ｈshift_sfはＴＭＲ素子の磁化容易軸方向の長さに反比例することが知られている。そして、ＴＭＲ素子のサイズが１μｍ以下（メガビット級ＭＲＡＭのメモリセルサイズに相当する）では、シフト量Ｈshift_sfは、スイッチング磁場Ｈ_swと同程度またはより大きな値となる。
【０００９】
もうひとつは、トンネルバリア層の界面の凹凸に起因して発生するネール結合である。図８にネール結合を概略的に示す。図８は、第１ピン層２、第１トンネルバリア層３およびフリー層４の部分を示し、第１トンネルバリア層３の界面の凹凸に起因してネール結合が発生することを示している。この場合、トンネルバリア層を挟む磁化固着層と磁化自由層の磁化が平行になろうとする力が働き、図７（ｂ）に示すようなＲ−Ｈカーブのシフトが引き起こされる。
【００１０】
ネール結合に起因するＲ−Ｈカーブのシフト量Ｈ_{shift_N}は下記の式１で表される。
【００１１】
【数１】

【００１２】
ここで、πは円周率、ｈおよびλはそれぞれトンネルバリア界面の凹凸の振幅と波長、Ｍｓは磁化固着層の飽和磁化、ｔ_fおよびｔ_bはそれぞれ磁化自由層およびトンネルバリア層の厚さである。
【００１３】
この式からわかるように、Ｈ_{shift_N}の大きさはメモリセルのサイズには依存しないが、トンネルバリア近傍の細かなラフネスには敏感である。たとえば、１ｎｍ程度（数原子層オーダー）のラフネスであってもスイッチング磁場の大きさと同程度となる。
【００１４】
以上のように、ＭＲＡＭのメモリセルとしてＴＭＲ素子を用いる場合には、Ｈshift_sfおよびＨ_{shift_N}のいずれも特性を大きく左右するパラメータとなる。特に、動作バイアス時の出力を大きくするために改良された図６に示すような二重接合ＴＭＲ素子では、これらがそれぞれ約２倍となるため、メモリ動作をさせる上でこれらを小さくすることが大きな課題になってある。
【００１５】
上記のような磁気結合起因のＲ−Ｈカーブのシフトを低減するために以下のような技術が提案されている。
【００１６】
たとえば、米国特許第６１７２９０４号明細書には、磁化固着層（基準層）、トンネルバリア層、磁化自由層、スペーサ層、追加磁化固着層（追加基準層）という構造を有する磁気メモリセルが提案されている。この磁気メモリセルでは、磁化固着層（基準層）の磁化の向きと追加磁化固着層（追加基準層）の磁化の向きとが反対向きになっている。このような構造であれば、磁化自由層において、基準層による磁気結合と追加基準層による磁気結合をキャンセルすることができる。しかし、この構造を適用した二重接合ＴＭＲ素子を作製すると、磁化自由層の磁化の向きがどちらであっても、一方の磁化固着層に対しては磁化平行、もう一方の磁化固着層に対しては磁化反平行となるため、ＴＭＲ効果を観測することができない。
【００１７】
また、特開２００１−１５６３５７号公報には、磁化固着層、トンネルバリア層、強磁性層／非磁性層／強磁性層という３層構造の磁化自由層（記憶層）、トンネルバリア層、磁化固着層という二重接合ＴＭＲ素子構造を有するＭＲＡＭが提案されている。下部および上部の磁化固着層は、磁化の向きが互いに反対向きになっている。また、磁化自由層（記憶層）に含まれる下部および上部の２つの強磁性層は非磁性層を介して反強磁性結合しており、磁化の向きが互いに反対向きになる。このようなＭＲＡＭでは、外部磁場の向きに応じて磁化自由層（記憶層）に含まれる下部および上部の２つの強磁性層で磁化反転が起こり、それぞれ下部および上部のトンネルバリア層を介して設けられている下部および上部の磁化固着層の磁化の向きに対し同時に平行または反平行となり、ＴＭＲ効果を観測することができる。しかし、このような構造のＭＲＡＭでも、各強磁性層の材料や厚さによってはＲ−Ｈカーブのシフト量が大きくなるため、この構造を採用するだけではＲ−Ｈカーブのシフトをなくすことはできない。
【００１８】
【特許文献１】
米国特許第６１７２９０４号明細書
【００１９】
【特許文献２】
特開２００１−１５６３５７号公報
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、Ｒ−Ｈカーブのシフトを極力低減して、書き込み電流のアンバランスによる消費電力増大や非選択セルの誤書き込みといった問題を解決できる、書き込み特性に優れた二重接合ＴＭＲ素子構造の磁気抵抗効果素子および磁気メモリ装置を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子は、第１の磁化固着層と、第１のトンネルバリア層と、第１の強磁性層、非磁性層および第２の強磁性層を含む磁化自由層と、第２のトンネルバリア層と、第２の磁化固着層とを有し、前記第１および第２の磁化固着層の磁化の向きが互いに反対向きであり、前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層とが前記非磁性層を介して反強磁性結合し、前記第１および第２の強磁性層のうち一方の磁化が他方の磁化よりも大きく、前記第１および第２の磁化固着層のうち一方の磁化が他方の磁化よりも大きく、磁化の大きい磁化固着層は前記第１および第２の強磁性層のうち磁化の小さい強磁性層に近い側に形成されていることを特徴とする。
【００２２】
本発明の他の態様に係る磁気抵抗効果素子は、第１の磁化固着層と、第１のトンネルバリア層と、第１の強磁性層、第１の非磁性層、第３の強磁性層、第２の非磁性層および第２の強磁性層を含む磁化自由層と、第２のトンネルバリア層と、第２の磁化固着層とを有し、前記第１および第２の磁化固着層の磁化の向きが互いに反対向きであり、前記第１の強磁性層と前記第３の強磁性層とが前記第１の非磁性層を介して磁気結合し、前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層とが前記第２の非磁性層を介して磁気結合し、これら２つの磁気結合のうち一方が強磁性結合、もう一方が反強磁性結合であり、前記第１および第２の強磁性層の磁化の大きさがほぼ等しく、前記第１および第２の磁化固着層の磁化の大きさがほぼ等しいことを特徴とする。
【００２３】
本発明のさらに他の態様に係る磁気メモリ装置は、第１の方向に延在する第１の配線と、前記第１の配線の上方において、前記第１の方向と交差する方向に延在する第２の配線と、前記第１の配線と前記第２の配線との間に設けられた上記のいずれかの磁気抵抗効果素子とを有することを特徴とする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明に係る磁気抵抗効果素子は、２つのトンネル接合層を有する、いわゆる二重接合ＴＭＲ素子であり、第１の磁化固着層、第１のトンネルバリア層、積層構造を有する磁化自由層（記憶層）、第２のトンネルバリア層、第２の磁化固着層という積層構造を有し、第１および第２の磁化固着層の磁化の向きは互いに反対向きになっている。
【００２５】
本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子では、磁化自由層（記憶層）が、第１の強磁性層、非磁性層および第２の強磁性層の３層構造を有し、第１の強磁性層と前記第２の強磁性層とが非磁性層を介して反強磁性結合し、第１および第２の強磁性層のうち一方の磁化が他方の磁化よりも大きくなっている。
【００２６】
本発明の他の態様に係る磁気抵抗効果素子では、磁化自由層（記憶層）が、第１の強磁性層／第１の非磁性層／第３の強磁性層／第１の非磁性層／第２の強磁性層という５層構造を有し、第１の強磁性層と第３の強磁性層とが第１の非磁性層を介して磁気結合し、第２の強磁性層と第３の強磁性層とが前記第２の非磁性層を介して磁気結合し、これら２つの磁気結合のうち一方が強磁性結合、もう一方が反強磁性結合となっている。
【００２７】
いずれの態様の磁気抵抗効果素子でも、磁化自由層の端面から漏洩磁場が発生しており、この磁化自由層の端面において第１の磁化固着層からの漏洩磁場と第２の磁化固着層からの漏洩磁場とが打ち消しあうように設計することにより、漏洩磁場静磁結合によるＲ−Ｈカーブのシフトを低減することができる。
【００２８】
また、第１の磁化固着層と、第２の磁化固着層の飽和磁化の大きさをほぼ等しくすることにより、ネール結合によるＲ−Ｈカーブのシフトを低減することができる。
【００２９】
本発明に係る磁気抵抗効果素子においては、磁化自由層を複数層の強磁性層と非磁性層との積層構造とするのに加えて、第１の磁化固着層および／または第２の磁化固着層を複数層の強磁性層と非磁性層との積層構造にしてもよい。この場合、一方の磁化固着層を偶数層の強磁性層と非磁性層との積層構造、たとえば反強磁性層に接する強磁性層、非磁性層およびトンネルバリア層に接する強磁性層の積層構造として、トンネルバリア層に接する強磁性層の磁化を反強磁性層に接する強磁性層の磁化よりも大きくし、他方の磁化固着層を反強磁性層とトンネルバリア層に接する単層の強磁性層とすることにより、第１および第２の磁化固着層の磁化の向きは互いに反対向きにすることができる。また、他方の磁化固着層を、３層以上の奇数層の強磁性層と非磁性層との積層構造、たとえば強磁性層／非磁性層／強磁性層／非磁性層／強磁性層の積層構造としてもよい。なお、このような積層構造を有する磁化固着層を用いた場合、第１および第２の磁化固着層の磁化の向きとは、磁化固着層に含まれる強磁性層のうちトンネルバリア層に接する強磁性層の磁化の向きを意味する。
【００３０】
以下、本発明の実施形態に係る二重接合ＴＭＲ素子についてより詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る二重接合ＴＭＲ素子の積層構造を模式的に示す図である。このＴＭＲ素子は、第１反強磁性層１、ＣｏＦｅ第１磁化固着層（第１ピン層）２、Ａｌ₂Ｏ₃第１トンネルバリア層３、ＮｉＦｅＣｏ下部フリー層４１／Ｒｕ非磁性層４０／ＮｉＦｅＣｏ上部フリー層４２の３層構造を有する磁化自由層（記憶層）４、Ａｌ₂Ｏ₃第２トンネルバリア層５、ＣｏＦｅ第２磁化固着層（第２ピン層）６、第２反強磁性層７を積層した構造を有する。このＴＭＲ素子は、ＭＲＡＭのメモリセルとして所定の形状に加工される。
【００３１】
図１に示されるように、第１ピン層２と第２ピン層６とは、磁化の向きが互いに反対向きになっている。磁化自由層（記憶層）４の下部フリー層４１と上部フリー層４２とは非磁性層４０を介して反強磁性結合しており、磁化の向きが互いに反対向きになる。下部フリー層４１および上部フリー層４２は、外部磁場の向きに応じて磁化反転を起こし、それぞれ第１ピン層２および第２ピン層６の磁化の向きに対し同時に平行または反平行となるので、ＴＭＲ効果を観測することができる。
【００３２】
このＴＭＲ素子においては、下部フリー層４１と上部フリー層４２の磁化の大きさは、いずれか一方が大きくなるように設定されている。たとえば、下部フリー層４１の膜厚を上部フリー層４２の膜厚より厚くすると、下部フリー層４１の磁化は上部フリー層４２の磁化よりも大きくなる。こうすることにより、この記憶層には正味の磁化が発生し、その磁化の中心（もしくは重心）は、記憶層の中間ではなく、厚くした下部フリー層４２側にずれることとなる。
【００３３】
図１のＴＭＲ素子においては、以下のような手段によりＲ−Ｈカーブのシフトを極力低減することができる。ここで、図１のＴＭＲ素子における各強磁性層の磁化Ｍ、飽和磁化Ｍｓおよび各層の厚さｔを以下のように表す。
【００３４】
第２ピン層６Ｍ_p2、Ｍｓ_p2、ｔ_p2
第２トンネルバリア層５ｔ_b2
上部フリー層４２Ｍ_f2、Ｍｓ_f2、ｔ_f2
非磁性層４０ｔ_fn
下部フリー層４１Ｍ_f1、Ｍｓ_f1、ｔ_f1
第１トンネルバリア層３ｔ_b1
第１ピン層２Ｍ_p1、Ｍｓ_p1、ｔ_p1
まず、ネール結合によるＲ−Ｈカーブのシフトを低減するには以下のような手段を用いる。式１に示したように、ネール結合の大きさを決定する要因は、トンネルバリア層界面のラフネス、ピン層の飽和磁化、フリー層およびトンネルバリア層の厚さである。二重接合ＴＭＲ素子では、通常、２つのトンネルバリア層の厚さを同じ、すなわちｔ_b1＝ｔ_b2とする。このとき、２つのトンネルバリア層界面のラフネスはほとんど同じ大きさになる。この場合、第１ピン層２および第２ピン層６の飽和磁化を同じ、すなわちＭｓ_p1＝Ｍｓ_p2にすれば、ネール結合によるＲ−Ｈカーブのシフトをほぼ打ち消すことができる。
【００３５】
一方、漏洩磁場静磁結合によるＲ−Ｈカーブのシフトを低減するには、下部フリー層４１の磁化Ｍ_f1と上部フリー層４２の磁化Ｍ_f2との差に応じて、第１ピン層２の磁化Ｍ_p1および第２ピン層６の磁化Ｍ_p2を調整する。具体的には、
Ｍ_f1＞Ｍ_f2の場合、Ｍ_p1＜Ｍ_p2、
Ｍ_f1＜Ｍ_f2の場合、Ｍ_p1＞Ｍ_p2
とする。このように各強磁性層の磁化を調整することにより、磁化自由層（記憶層）４の近傍において漏洩磁場による静磁結合が打ち消しあう向きに働き、漏洩磁場静磁結合によるＲ−Ｈカーブのシフトを低減することができる。
【００３６】
より厳密には、磁化自由層（記憶層）４の磁化の中心位置に相当する端面近傍で２つのピン層２、６からの漏洩磁場の大きさがほぼ同じになるように設計する。
【００３７】
また、簡単のために、下部フリー層４１および上部フリー層４２の飽和磁化が等しい、すなわちＭｓ_f1＝Ｍｓ_f2とする。上述したように、ｔ_b1＝ｔ_b2、Ｍｓ_p1＝Ｍｓ_p2である。
【００３８】
フリー層４全体の磁化の中心は、下側トンネルバリアの上面からａ＝（ｔ_f1＋ｔ_f2）／２＋ｔ_fn×ｔ_f2／（ｔ_f1＋ｔ_f2）の高さに位置する。このフリー層全体の中心位置に相当する端面において、２つのピン層２、６からの漏洩磁場による静磁結合をキャンセルするには以下の関係式を満たすように第１ピン層２および第２ピン層６の厚さｔ_p1、ｔ_p2を決定する。
【００３９】
１／（ｔ_b1＋ａ）−１／（ｔ_b1＋ａ＋ｔ_p1）＝
１／（ｔ_b2＋ｔ_f−ａ）−１／（ｔ_b2＋ｔ_f−ａ＋ｔ_p2） …式２
（ここで、ｔ_f＝ｔ_f1＋ｔ_f2＋ｔ_fnである）。
【００４０】
たとえば、Ｍ_f1＞Ｍ_f2（ｔ_f1＞ｔ_f2）の場合、式２を満たすためにはｔ_p1＜ｔ_p2として、Ｍ_p1＜Ｍ_p2の関係を満たすようにする。逆に、Ｍ_f1＜Ｍ_f2（ｔ_f1＜ｔ_f2）の場合、ｔ_p1＞ｔ_p2としてＭ_p1＞Ｍ_p2の関係を満たすようにする。
【００４１】
なお、Ｍ_f1＝Ｍ_f2の場合にはＭ_p1＝Ｍ_p2とすればよいと考えられるが、この場合には磁化の向きを規定できないので不適当である。
【００４２】
図２は、本発明の第２の実施形態に係る二重接合ＴＭＲ素子の積層構造を模式的に示す図である。このＴＭＲ素子は、第１反強磁性層１、ＣｏＦｅ下部ピン層２１／Ｒｕ非磁性層２０／ＣｏＦｅ上部ピン層２２の３層構造を有する第１磁化固着層（第１ピン層）２、Ａｌ₂Ｏ₃第１トンネルバリア層３、ＮｉＦｅＣｏ下部フリー層４１／Ｒｕ非磁性層４０／ＮｉＦｅＣｏ上部フリー層４２の３層構造を有する磁化自由層（記憶層）４、Ａｌ₂Ｏ₃第２トンネルバリア層５、ＣｏＦｅ第２磁化固着層（第２ピン層）６、第２反強磁性層７を積層した構造を有する。
【００４３】
図２のＴＭＲ素子は第１ピン層２を強磁性層／非磁性層／強磁性層の３層構造からなるシンセティックピン構造としている点で、図１のＴＭＲ素子と異なる。第１ピン層２に含まれる下部ピン層２１および上部ピン層２２は非磁性層２０を介して反強磁性結合しており、これにより第１ピン層２（上部ピン層２２）と第２ピン層６の磁化の向きは互いに反対向きとなっている。また、トンネルバリア層３に接する上部ピン層２２の磁化は、反強磁性層１に接する下部ピン層２１の磁化よりも大きくなっている。
【００４４】
図１と同様に、磁化自由層（記憶層）４の下部フリー層４１と上部フリー層４２とは非磁性層４０を介して反強磁性結合しており、磁化の向きが互いに反対向きになる。下部フリー層４１と上部フリー層４２の磁化の大きさは、いずれか一方が大きくなるように設定されている。たとえば、下部フリー層４１の膜厚を上部フリー層４２の膜厚より厚くすると、下部フリー層４１の磁化は上部フリー層４２の磁化よりも大きくなる。
【００４５】
図２のＴＭＲ素子においては、以下のような手段によりＲ−Ｈカーブのシフトを極力低減することができる。ここで、図２のＴＭＲ素子における各強磁性層の磁化Ｍ、飽和磁化Ｍｓおよび各層の厚さｔを以下のように表す。
【００４６】
第２ピン層６Ｍ_p2、Ｍｓ_p2、ｔ_p2
第２トンネルバリア層５ｔ_b2
上部フリー層４２Ｍ_f2、Ｍｓ_f2、ｔ_f2
非磁性層４０ｔ_fn
下部フリー層４１Ｍ_f1、Ｍｓ_f1、ｔ_f1
第１トンネルバリア層３ｔ_b1
上部ピン層２２Ｍ_p12、Ｍｓ_p12、ｔ_p12
非磁性層２０Ｍ_p1n、Ｍｓ_p1n、ｔ_p1n
下部ピン層２１Ｍ_p11、Ｍｓ_p11、ｔ_p11
ネール結合をキャンセルするために、Ｍｓ_p12＝Ｍｓ_p2、ｔ_b1＝ｔ_b2とする。また、簡単のために、Ｍｓ_p11＝Ｍｓ_p12とし、下部フリー層４１および上部フリー層４２の飽和磁化が等しい、すなわちＭｓ_f1＝Ｍｓ_f2とする。
【００４７】
漏洩磁場静磁結合によるＲ−Ｈカーブのシフトを低減するには、以下のように設計する。たとえば、下部フリー層４１の厚さｔ_f1を上部フリー層４２の厚さｔ_f2より厚くして、Ｍｓ_f2・ｔ_f2＜Ｍｓ_f1・ｔ_f1とした場合、
Ｍｓ_p12・ｔ_p12−Ｍｓ_p11・ｔ_p11＜Ｍｓ_p2・ｔ_p2 …式３
とする。より具体的には、図２に示される各層の厚さを以下のように設定する。
【００４８】
ｔ_p11＝２ｎｍ、ｔ_p1n＝１ｎｍ、ｔ_p12＝４．７ｎｍ、ｔ_b1＝１．５ｎｍ、ｔ_f1＝３ｎｍ、ｔ_fn＝１ｎｍ、ｔ_f2＝２ｎｍ、ｔ_b2（＝ｔ_b1）＝１．５ｎｍ、ｔ_p2＝３ｎｍ。
【００４９】
逆に、下部フリー層４１の厚さｔ_f1を上部フリー層４２の厚さｔ_f2より薄くして、Ｍｓ_f2・ｔ_f2＞Ｍｓ_f1・ｔ_f1とした場合、
Ｍｓ_p12・ｔ_p12−Ｍｓ_p11・ｔ_p11＞Ｍｓ_p2・ｔ_p2 …式４
とする。
【００５０】
図３は、本発明の第３の実施形態に係る二重接合ＴＭＲ素子の積層構造を模式的に示す図である。このＴＭＲ素子は、第１反強磁性層１、ＣｏＦｅ下部ピン層２１／Ｒｕ非磁性層２０／ＣｏＦｅ上部ピン層２２の３層構造を有する第１磁化固着層（第１ピン層）２、Ａｌ₂Ｏ₃第１トンネルバリア層３、ＣｏＦｅ下部フリー層４１／Ｒｕ第１非磁性層４０１／ＮｉＦｅＣｏ中間フリー層４３／Ｒｕ第２非磁性層４０２／ＣｏＦｅ上部フリー層４２の５層構造を有する磁化自由層（記憶層）４、Ａｌ₂Ｏ₃第２トンネルバリア層５、ＣｏＦｅ第２磁化固着層（第２ピン層）６、第２反強磁性層７を積層した構造を有する。
【００５１】
図３のＴＭＲ素子は磁化自由層（記憶層）４を強磁性層／非磁性層／強磁性層／非磁性層／強磁性層の５層構造としている点で、図２のＴＭＲ素子と異なる。下部フリー層４１と中間フリー層４３とは第１非磁性層４０１を介して磁気結合し、上部フリー層４２と中間フリー層４３とは第２非磁性層４０２を介して磁気結合している。これら２つの磁気結合のうち一方が強磁性結合であり、他方が反強磁性結合である。図３は、下部フリー層４１と中間フリー層４３とが強磁性結合し、上部フリー層４２と中間フリー層４３とが反強磁性結合している例を示している。この結果、磁化自由層（記憶層）４のうちトンネルバリア層３、５に接する下部フリー層４１および上部フリー層４２の磁化の向きは互いに反対向きになっている。
【００５２】
図２と同様に、第１ピン層２に含まれる下部ピン層２１および上部ピン層２２は非磁性層２０を介して反強磁性結合しており、これにより第１ピン層２（上部ピン層２２）と第２ピン層６の磁化の向きは互いに反対向きとなっている。また、トンネルバリア層３に接する上部ピン層２２の磁化は、反強磁性層１に接する下部ピン層２１の磁化よりも大きくなっている。
【００５３】
図３のＴＭＲ素子においては、以下のような手段によりＲ−Ｈカーブのシフトを極力低減することができる。ここで、図３のＴＭＲ素子における各強磁性層の磁化Ｍ、飽和磁化Ｍｓおよび各層の厚さｔを以下のように表す。
【００５４】
第２ピン層６Ｍ_p2、Ｍｓ_p2、ｔ_p2
第２トンネルバリア層５ｔ_b2
上部フリー層４２Ｍ_f2、Ｍｓ_f2、ｔ_f2
第２非磁性層４０２ｔ_fn2
中間フリー層４３Ｍ_f3、Ｍｓ_f3、ｔ_f3
第１非磁性層４０１ｔ_fn1
下部フリー層４１Ｍ_f1、Ｍｓ_f1、ｔ_f1
第１トンネルバリア層３ｔ_b1
上部ピン層２２Ｍ_p12、Ｍｓ_p12、ｔ_p12
非磁性層２０Ｍ_p1n、Ｍｓ_p1n、ｔ_p1n
下部ピン層２１Ｍ_p11、Ｍｓ_p11、ｔ_p11
ネール結合をキャンセルするために、Ｍｓ_p12＝Ｍｓ_p2、ｔ_b1＝ｔ_b2とする。また、簡単のために、Ｍｓ_p11＝Ｍｓ_p12とし、下部フリー層４１および上部フリー層４２の飽和磁化が等しい、すなわちＭｓ_f1＝Ｍｓ_f2とする。
【００５５】
漏洩磁場静磁結合によるＲ−Ｈカーブのシフトを低減するには、
Ｍｓ_f2・ｔ_f2≒Ｍｓ_f1・ｔ_f1 …式５
Ｍｓ_p12・ｔ_p12−Ｍｓ_p11・ｔ_p11≒Ｍｓ_p2・ｔ_p2 …式６
とする。より具体的には、図３に示される各層の厚さを以下のように設定する。
【００５６】
ｔ_p11＝２ｎｍ、ｔ_p1n＝１ｎｍ、ｔ_p12＝５ｎｍ、ｔ_b1＝１．５ｎｍ、ｔ_f1＝２ｎｍ、ｔ_fn1＝１．４ｎｍ、ｔ_f3＝２ｎｍ、ｔ_fn2＝１ｎｍ、ｔ_f2＝２ｎｍ、ｔ_b2（＝ｔ_b1）＝１．５ｎｍ、ｔ_p2＝３ｎｍ。
【００５７】
なお、強磁性層／非磁性層／強磁性層／非磁性層／強磁性層の５層構造を有する磁化自由層（記憶層）において、非磁性層の材料としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒｅ、Ｎｂ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｒｕなどを用いることができる。そして、２つの磁気結合のうち一方を強磁性結合、他方を反強磁性結合とするには、それぞれの非磁性材料に応じて２つの磁性層の厚さを適切に設定すればよい。たとえば、図３では下部フリー層４１と中間フリー層４３とを強磁性結合させるために、第１非磁性層として厚さ１．４ｎｍのＲｕを用いているが、その代わりに厚さ１ｎｍのＣｕを用いてもよい。
【００５８】
図４は、本発明の第４の実施形態に係る二重接合ＴＭＲ素子の積層構造を模式的に示す図である。このＴＭＲ素子は、第１反強磁性層１、ＣｏＦｅ下部ピン層２１／Ｒｕ非磁性層２０／ＣｏＦｅ上部ピン層２２の３層構造を有する第１磁化固着層（第１ピン層）２、Ａｌ₂Ｏ₃第１トンネルバリア層３、ＮｉＦｅＣｏ下部フリー層４１／Ｒｕ非磁性層４０／ＮｉＦｅＣｏ上部フリー層４２の３層構造を有する磁化自由層（記憶層）４、Ａｌ₂Ｏ₃第２トンネルバリア層５、ＣｏＦｅ下部ピン層６１／Ｒｕ非磁性層６０１／ＣｏＦｅ中間ピン層６２／Ｒｕ非磁性層６０２／ＣｏＦｅ上部ピン層６３の５層構造を有する第２磁化固着層（第２ピン層）６、第２反強磁性層７を積層した構造を有する。
【００５９】
図４のＴＭＲ素子では、第１ピン層２が３層のシンセティックピン構造であり、第２ピン層が５層のシンセティックピン構造である。第１ピン層２に含まれる下部ピン層２１および上部ピン層２２は非磁性層２０を介して反強磁性結合している。同様に、第２ピン層６に含まれる下部ピン層６１、中間ピン層６２および上部ピン層６３は非磁性層６０１、６０２を介して反強磁性結合している。これにより第１ピン層２（上部ピン層２２）と第２ピン層６（下部ピン層６１）の磁化の向きは互いに反対向きとなっている。
【００６０】
図１、図２と同様に、磁化自由層（記憶層）４の下部フリー層４１と上部フリー層４２とは非磁性層４０を介して反強磁性結合しており、磁化の向きが互いに反対向きになる。下部フリー層４１と上部フリー層４２の磁化の大きさは、いずれか一方が大きくなるように設定されている。たとえば、下部フリー層４１の膜厚を上部フリー層４２の膜厚より厚くすると、下部フリー層４１の磁化は上部フリー層４２の磁化よりも大きくなる。この磁化自由層（記憶層）４からは漏洩磁場が発生している。
【００６１】
図４のＴＭＲ素子においては、以下のような手段によりＲ−Ｈカーブのシフトを極力低減することができる。ここで、図４のＴＭＲ素子における各強磁性層の磁化Ｍ、飽和磁化Ｍｓおよび各層の厚さｔを以下のように表す。
【００６２】
上部ピン層６３Ｍ_p23、Ｍｓ_p23、ｔ_p23
非磁性層６０２ｔ_p2n2
中間ピン層６２Ｍ_p22、Ｍｓ_p22、ｔ_p22
非磁性層６０１ｔ_p2n1
下部ピン層６１Ｍ_p21、Ｍｓ_p21、ｔ_p21
第２トンネルバリア層５ｔ_b2
上部フリー層４２Ｍ_f2、Ｍｓ_f2、ｔ_f2
第２非磁性層４０２ｔ_fn2
中間フリー層４３Ｍ_f3、Ｍｓ_f3、ｔ_f3
第１非磁性層４０１ｔ_fn1
下部フリー層４１Ｍ_f1、Ｍｓ_f1、ｔ_f1
第１トンネルバリア層３ｔ_b1
上部ピン層２２Ｍ_p12、Ｍｓ_p12、ｔ_p12
非磁性層２０Ｍ_p1n、Ｍｓ_p1n、ｔ_p1n
下部ピン層２１Ｍ_p11、Ｍｓ_p11、ｔ_p11
ネール結合をキャンセルするために、Ｍｓ_p12＝Ｍｓ_p21、ｔ_b1＝ｔ_b2とする。また、簡単のために、下部フリー層４１および上部フリー層４２の飽和磁化が等しい、すなわちＭｓ_f1＝Ｍｓ_f2とする。
【００６３】
漏洩磁場静磁結合によるＲ−Ｈカーブのシフトを低減するには、フリー層の磁化の大きさに関係なく、
Ｍ_p12・ｔ_p12≒Ｍ_p11・ｔ_p11 …式７
Ｍ_p21・ｔ_p21＋Ｍ_p23・ｔ_p23≒Ｍ_p22・ｔ_p22 …式８
とする。このようにすれば、第１ピン層２および第２ピン層６からの漏洩磁場をそれぞれのピン層内でキャンセルすることができ、磁化自由層（記憶層）４に対して漏洩磁場静磁結合が発生しない。より具体的には、図４に示される各層の厚さを以下のように設定する。
【００６４】
ｔ_p11＝２ｎｍ、ｔ_p1n＝１ｎｍ、ｔ_p12＝２ｎｍ、ｔ_b1＝１．５ｎｍ、ｔ_f1＝３ｎｍ、ｔ_fn＝１ｎｍ、ｔ_f2＝２ｎｍ、ｔ_b2（＝ｔ_b1）＝１．５ｎｍ、ｔ_p21＝２ｎｍ、ｔ_p2n1＝１ｎｍ、ｔ_p22＝４ｎｍ、ｔ_p2n2（＝ｔ_p2n1）＝１ｎｍ、ｔ_p23（＝ｔ_p21）＝２ｎｍ。
【００６５】
図５は、本発明に係る磁気メモリ装置のメモリセルを示す断面図である。図５において、シリコン基板１０１上にはゲート電極１０２が形成され、ゲート電極１０２の両側のシリコン基板１０１表面にはソース／ドレイン領域１０３、１０４が形成されている。これらの部材により選択トランジスタが形成されている。ゲート電極１０２は紙面に直交する方向に延びており、ワードライン（ＷＬ１）として用いられる。シリコン基板１０１の全面には絶縁層１０５が形成され、この絶縁膜１０５中に、選択トランジスタのドレイン領域１０４に接続された接続プラグ１０６、紙面に直交する方向に延びるワードライン（ＷＬ２）１０７、接続プラグ１０６に接続された下地電極１０８、ワードライン（ＷＬ２）１０７の上方に配置され、下地電極１０８に接続されたＴＭＲ素子１０９が埋め込まれている。ＴＭＲ素子１０９の上面にはワードライン（ＷＬ２）１０７の方向と交差する方向に延びるビットライン（ＢＬ）１１０が接続されている。上記のＴＭＲ素子１０９としては、たとえば図１〜図４のいずれかが用いられる。
【００６６】
図５に示すように、この磁気メモリ装置は、紙面に直交する方向に延びるワードライン（ＷＬ２）１０７と、ワードライン（ＷＬ２）１０７上方においてこれに交差する方向に延びるビットライン１１０と、ワードライン（ＷＬ２）１０７とビットライン１１０との間に設けられたＴＭＲ素子１０９とを有する。ＴＭＲ素子１０９への書き込み動作は、ワードライン（ＷＬ２）１０７とビットライン１１０に書き込み電流を流して電流磁界を発生させ、両者の合成磁界によりＴＭＲ素子１０９の磁化自由層の磁化を反転させることにより行われる。読み出し動作は、選択トランジスタをオンし、下地電極１０８とビットライン１１０との間のＴＭＲ素子１０９にセンス電流を流して磁気抵抗変化を測定することにより行われる。
【００６７】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、Ｒ−Ｈカーブのシフトのない二重接合ＴＭＲ素子が得られ、これをメモリセルに用いることにより、消費電力が小さく、また誤書き込みの起こりにくいＭＲＡＭを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る二重接合ＴＭＲ素子の積層構造を模式的に示す図。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る二重接合ＴＭＲ素子の積層構造を模式的に示す図。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る二重接合ＴＭＲ素子の積層構造を模式的に示す図。
【図４】本発明の第４の実施形態に係る二重接合ＴＭＲ素子の積層構造を模式的に示す図。
【図５】本発明に係る磁気メモリ装置のメモリセルを示す断面図。
【図６】従来の二重接合ＴＭＲ素子の積層構造を模式的に示す図。
【図７】Ｒ−Ｈカーブのシフトを説明する図。
【図８】ネール結合を説明する図。
【符号の説明】
１…第１反強磁性層
２…第１磁化固着層（第１ピン層）
３…第１トンネルバリア層
４…磁化自由層（フリー層）
５…第２トンネルバリア層
６…第２磁化固着層（第２ピン層）
７…第２反強磁性層
１０１…シリコン基板
１０２…ゲート電極（ＷＬ１）
１０３、１０４…ソース／ドレイン領域
１０５…絶縁層
１０６…接続プラグ
１０７…ワードライン（ＷＬ２）
１０８…下地電極
１０９…ＴＭＲ素子
１１０…ビットライン（ＢＬ）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetoresistive effect element and a magnetic memory device using the magnetoresistive effect element in a memory cell, such as a magnetic random access memory (MRAM).
[0002]
[Prior art]
Magnetic random access memory (MRAM) is a memory device using a magnetic element having a magnetoresistive effect in a cell portion for storing information, and has attracted attention as a next-generation memory device capable of realizing high-speed operation, large capacity and non-volatility. ing. The magnetoresistance effect is a phenomenon in which when a magnetic field is applied to a ferromagnetic material, the electrical resistance changes according to the magnetization direction of the ferromagnetic material. Such a magnetization direction of the ferromagnetic material is used for storing information, and information can be read according to the magnitude of the corresponding electric resistance to operate as a memory device (MRAM). In recent years, in a ferromagnetic tunnel junction including a sandwich structure in which an insulating layer (tunnel barrier layer) is sandwiched between two ferromagnetic layers, the magnetoresistance change rate (MR ratio) is 20% or more due to the tunnel magnetoresistance effect (TMR effect). ) Can be obtained. As a result, MRAM using a ferromagnetic tunnel junction magnetoresistive element (TMR element) utilizing the tunnel magnetoresistive effect has been attracting attention and attention.
[0003]
When a TMR element is used in an MRAM, one of the two ferromagnetic layers sandwiching the tunnel barrier layer is a magnetization fixed layer (magnetization reference layer) that is fixed so that the magnetization direction does not change, and the other is reversed in magnetization direction. The magnetization free layer (memory layer) is easy to be formed. Information can be stored by associating a state in which the magnetization directions of the magnetization pinned layer and the magnetization free layer are parallel and antiparallel to the binary information “0” and “1”. Recording information is written by reversing the magnetization direction of the magnetization free layer by an induced magnetic field generated by passing a current through a write wiring provided near the TMR element. The recording information is read by detecting a resistance change due to the TMR effect.
[0004]
Therefore, regarding the magnetization free layer, it is preferable that the rate of change in resistance (MR ratio) due to the TMR effect is large and the magnetic field necessary for magnetization reversal, that is, the switching magnetic field is small. On the other hand, with respect to the magnetization pinned layer, it is necessary to fix the magnetization direction so that the magnetization is not easily reversed. For this purpose, an antiferromagnetic layer is provided so as to be in contact with the ferromagnetic layer and the exchange coupling force is used. A method of making magnetization reversal difficult to occur is used. In this structure, the magnetization direction of the magnetization pinned layer is determined by performing heat treatment (magnetization pinned annealing) while applying a magnetic field.
[0005]
Here, problems of the conventional MRAM will be described. FIG. 6 schematically shows a double junction TMR element constituting a conventional MRAM. This TMR element includes an IrMn first antiferromagnetic layer 1, a CoFe first pinned layer (first pinned layer) 2, Al₂O_ThreeFirst tunnel barrier layer 3, CoFeNi magnetization free layer (free layer) 4, Al₂O_ThreeThe second tunnel barrier layer 5, the CoFe second magnetization pinned layer (second pinned layer) 6, and the IrMn second antiferromagnetic layer 7 are stacked. Such a TMR element is processed into a predetermined shape as an MRAM memory cell. As shown in FIG. 6, the magnetization directions of the first pinned layer 2 and the second pinned layer 6 are parallel to each other.
[0006]
From the viewpoint of switching characteristics, it is preferable that the resistance-magnetic field hysteresis curve (hereinafter referred to as RH curve) of the TMR element is symmetric with respect to the origin. However, conventionally, due to various magnetic couplings, R- There was a problem that the H curve shifted from the origin. When such a shift of the RH curve occurs, the magnetization of the magnetization free layer switches from parallel to antiparallel to the magnetization of the magnetization fixed layer between the magnetization fixed layer and the magnetization free layer sandwiching the tunnel barrier layer. The magnitude of the magnetic field to be switched is different from the magnitude of the magnetic field to be switched from antiparallel to parallel. As a result, the write current required for magnetization reversal increases either positively or negatively, the shift of the RH curve is too large, and is fixed in either the magnetization parallel or magnetization antiparallel state. Accordingly, many problems occur such as erroneous writing in unselected cells.
[0007]
The magnetic coupling that causes the shift of the RH curve described above is roughly divided into two, and causes shifts as shown in FIGS. 7A and 7B, respectively.
[0008]
One is magnetostatic coupling by a leakage magnetic field (indicated by a broken line arrow in FIG. 6) generated from an end face formed by processing each ferromagnetic layer. In this case, a force that causes the magnetizations of the magnetization pinned layer and the magnetization free layer sandwiching the tunnel barrier layer to be antiparallel acts to cause a shift of the RH curve as shown in FIG. It is known that the shift amount Hshift_sf of the RH curve due to magnetostatic coupling of the leakage magnetic field is inversely proportional to the length of the TMR element in the easy axis direction. When the size of the TMR element is 1 μm or less (corresponding to the memory cell size of the megabit class MRAM), the shift amount Hshift_sf is the switching magnetic field H_swIt will be the same or larger value.
[0009]
The other is a nail bond generated due to irregularities at the interface of the tunnel barrier layer. FIG. 8 schematically shows nail bonding. FIG. 8 shows portions of the first pinned layer 2, the first tunnel barrier layer 3, and the free layer 4, and shows that Neal coupling occurs due to the unevenness of the interface of the first tunnel barrier layer 3. In this case, a force that makes the magnetization of the magnetization fixed layer and the magnetization free layer sandwiching the tunnel barrier layer work in parallel causes a shift of the RH curve as shown in FIG.
[0010]
Shift amount H of RH curve due to nail bond_{shift_N}Is represented by Equation 1 below.
[0011]
[Expression 1]

[0012]
Here, π is the circular ratio, h and λ are the amplitude and wavelength of the irregularities at the tunnel barrier interface, Ms is the saturation magnetization of the magnetization pinned layer, t_fAnd t_bAre the thicknesses of the magnetization free layer and the tunnel barrier layer, respectively.
[0013]
As you can see from this equation, H_{shift_N}The size does not depend on the size of the memory cell, but is sensitive to fine roughness near the tunnel barrier. For example, even if the roughness is about 1 nm (several atomic layer order), it is about the same as the magnitude of the switching magnetic field.
[0014]
As described above, when the TMR element is used as the memory cell of the MRAM, Hshift_sf and Hshift_sf_{shift_N}Both of these are parameters that greatly affect the characteristics. In particular, in the double junction TMR element as shown in FIG. 6 improved to increase the output at the time of operation bias, each of these is approximately doubled. Therefore, it is possible to reduce these for memory operation. It is a big issue.
[0015]
In order to reduce the shift of the RH curve due to magnetic coupling as described above, the following techniques have been proposed.
[0016]
For example, US Pat. No. 6,172,904 proposes a magnetic memory cell having a structure of a magnetization pinned layer (reference layer), a tunnel barrier layer, a magnetization free layer, a spacer layer, and an additional magnetization pinned layer (additional reference layer). ing. In this magnetic memory cell, the magnetization direction of the magnetization pinned layer (reference layer) is opposite to the magnetization direction of the additional magnetization pinned layer (additional reference layer). With such a structure, the magnetic coupling by the reference layer and the magnetic coupling by the additional reference layer can be canceled in the magnetization free layer. However, when a double junction TMR element to which this structure is applied is manufactured, the magnetization free layer has a magnetization parallel to one magnetization fixed layer and the other magnetization fixed layer, regardless of the magnetization direction of the magnetization free layer. Therefore, the TMR effect cannot be observed because the magnetization is antiparallel.
[0017]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-156357 discloses a magnetization fixed layer, a tunnel barrier layer, a magnetization free layer (memory layer) having a three-layer structure of ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer, tunnel barrier layer, magnetization fixed An MRAM having a double junction TMR element structure called a layer has been proposed. The magnetization directions of the lower and upper magnetization pinned layers are opposite to each other. Further, the lower and upper two ferromagnetic layers included in the magnetization free layer (storage layer) are antiferromagnetically coupled via the nonmagnetic layer, and the magnetization directions are opposite to each other. In such an MRAM, magnetization reversal occurs in the lower and upper ferromagnetic layers included in the magnetization free layer (storage layer) according to the direction of the external magnetic field, and the magnetization is reversed via the lower and upper tunnel barrier layers, respectively. The TMR effect can be observed by simultaneously paralleling or antiparallel to the magnetization directions of the lower and upper magnetization pinned layers. However, even in the MRAM having such a structure, the shift amount of the RH curve becomes large depending on the material and thickness of each ferromagnetic layer. Therefore, it is not possible to eliminate the shift of the RH curve only by adopting this structure. Can not.
[0018]
[Patent Document 1]
US Pat. No. 6,172,904
[0019]
[Patent Document 2]
JP 2001-156357 A
[0020]
[Problems to be solved by the invention]
The object of the present invention is to reduce the shift of the RH curve as much as possible, and to solve the problems such as the increase in power consumption due to the imbalance of the write current and the erroneous write of the non-selected cell, and the double junction TMR element having excellent write characteristics. An object of the present invention is to provide a magnetoresistive element and a magnetic memory device having a structure.
[0021]
[Means for Solving the Problems]
A magnetoresistive effect element according to one aspect of the present invention includes a first magnetization pinned layer, a first tunnel barrier layer, a first ferromagnetic layer, a nonmagnetic layer, and a second ferromagnetic layer. A first tunneling layer, a second tunneling barrier layer, and a second magnetization pinned layer, wherein the first and second magnetization pinned layers have opposite magnetization directions, and the first ferromagnetic layer And the second ferromagnetic layer are antiferromagnetically coupled via the nonmagnetic layer, and one of the first and second ferromagnetic layers has a magnetization larger than the other, One magnetization of the second magnetization fixed layer is larger than the other magnetization, and the magnetization fixed layer having a large magnetization is formed on the side closer to the ferromagnetic layer having a small magnetization among the first and second ferromagnetic layers. It is characterized by.
[0022]
A magnetoresistive effect element according to another aspect of the present invention includes a first magnetization pinned layer, a first tunnel barrier layer, a first ferromagnetic layer, a first nonmagnetic layer, and a third ferromagnetic layer. , A magnetization free layer including a second nonmagnetic layer and a second ferromagnetic layer, a second tunnel barrier layer, and a second magnetization pinned layer, and the first and second magnetization pinned layers The first ferromagnetic layer and the third ferromagnetic layer are magnetically coupled via the first nonmagnetic layer, and the second ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer The third ferromagnetic layer is magnetically coupled via the second nonmagnetic layer, and one of these two magnetic couplings is ferromagnetic coupling and the other is antiferromagnetic coupling.Yes, the magnitudes of the magnetizations of the first and second ferromagnetic layers are substantially equal, and the magnitudes of the magnetizations of the first and second pinned layers are substantially equal.It is characterized by that.
[0023]
A magnetic memory device according to still another aspect of the present invention extends in a direction intersecting the first direction above the first wiring and a first wiring extending in the first direction. It has a 2nd wiring and any one of said magnetoresistive effect elements provided between said 1st wiring and said 2nd wiring, It is characterized by the above-mentioned.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The magnetoresistive effect element according to the present invention is a so-called double junction TMR element having two tunnel junction layers, and includes a first magnetization pinned layer, a first tunnel barrier layer, and a magnetization free layer (memory) having a laminated structure. Layer), a second tunnel barrier layer, and a second magnetization pinned layer, and the magnetization directions of the first and second magnetization pinned layers are opposite to each other.
[0025]
In the magnetoresistive effect element according to one embodiment of the present invention, the magnetization free layer (memory layer) has a three-layer structure including a first ferromagnetic layer, a nonmagnetic layer, and a second ferromagnetic layer, The ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer are antiferromagnetically coupled via the nonmagnetic layer, and one magnetization of the first and second ferromagnetic layers is larger than the other magnetization.
[0026]
In the magnetoresistive effect element according to another aspect of the present invention, the magnetization free layer (memory layer) includes the first ferromagnetic layer / first nonmagnetic layer / third ferromagnetic layer / first nonmagnetic layer. / The second ferromagnetic layer has a five-layer structure, and the first ferromagnetic layer and the third ferromagnetic layer are magnetically coupled via the first nonmagnetic layer, A third ferromagnetic layer is magnetically coupled via the second nonmagnetic layer, and one of these two magnetic couplings is a ferromagnetic coupling and the other is an antiferromagnetic coupling.
[0027]
In any of the magnetoresistive effect elements, a leakage magnetic field is generated from the end face of the magnetization free layer, and the leakage magnetic field from the first magnetization fixed layer and the second magnetization fixed layer are generated at the end face of the magnetization free layer. By designing so that the leakage magnetic field cancels out, the shift of the RH curve due to the leakage magnetic field magnetostatic coupling can be reduced.
[0028]
Further, by making the saturation magnetizations of the first magnetization pinned layer and the second magnetization pinned layer substantially equal to each other, the shift of the RH curve due to the Neel coupling can be reduced.
[0029]
In the magnetoresistive effect element according to the present invention, the first magnetization pinned layer and / or the second magnetization pinned in addition to the magnetization free layer having a laminated structure of a plurality of ferromagnetic layers and nonmagnetic layers. The layer may be a laminated structure of a plurality of ferromagnetic layers and nonmagnetic layers. In this case, one magnetization pinned layer is a laminated structure of an even number of ferromagnetic layers and a nonmagnetic layer, for example, a laminated structure of a ferromagnetic layer in contact with an antiferromagnetic layer, a ferromagnetic layer in contact with a nonmagnetic layer and a tunnel barrier layer. The magnetization of the ferromagnetic layer in contact with the tunnel barrier layer is made larger than the magnetization of the ferromagnetic layer in contact with the antiferromagnetic layer, and the other magnetization pinned layer is in the single layer ferromagnetism in contact with the antiferromagnetic layer and the tunnel barrier layer. By using the layers, the magnetization directions of the first and second magnetization fixed layers can be opposite to each other. The other magnetization pinned layer is a laminated structure of three or more odd-numbered ferromagnetic layers and a nonmagnetic layer, for example, a laminated layer of ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer. It is good also as a structure. When the magnetization pinned layer having such a laminated structure is used, the magnetization directions of the first and second magnetization pinned layers are the strengths in contact with the tunnel barrier layer among the ferromagnetic layers included in the magnetization pinned layer. It means the direction of magnetization of the magnetic layer.
[0030]
Hereinafter, the double junction TMR element according to the embodiment of the present invention will be described in more detail.
FIG. 1 is a diagram schematically showing a laminated structure of a double junction TMR element according to the first embodiment of the present invention. This TMR element includes a first antiferromagnetic layer 1, a CoFe first magnetization pinned layer (first pinned layer) 2, Al₂O_ThreeFirst tunnel barrier layer 3, NiFeCo lower free layer 41 / Ru nonmagnetic layer 40 / NiFeCo upper free layer 42, a magnetization free layer (memory layer) 4 having a three-layer structure, Al₂O_ThreeThe second tunnel barrier layer 5, the CoFe second magnetization pinned layer (second pinned layer) 6, and the second antiferromagnetic layer 7 are stacked. The TMR element is processed into a predetermined shape as an MRAM memory cell.
[0031]
As shown in FIG. 1, the magnetization directions of the first pinned layer 2 and the second pinned layer 6 are opposite to each other. The lower free layer 41 and the upper free layer 42 of the magnetization free layer (storage layer) 4 are antiferromagnetically coupled via the nonmagnetic layer 40, and the magnetization directions are opposite to each other. The lower free layer 41 and the upper free layer 42 cause magnetization reversal according to the direction of the external magnetic field, and are simultaneously parallel or antiparallel to the magnetization directions of the first pinned layer 2 and the second pinned layer 6, respectively. The TMR effect can be observed.
[0032]
In the TMR element, the magnitude of the magnetization of the lower free layer 41 and the upper free layer 42 is set so that one of them is larger. For example, when the film thickness of the lower free layer 41 is made larger than the film thickness of the upper free layer 42, the magnetization of the lower free layer 41 becomes larger than the magnetization of the upper free layer 42. As a result, net magnetization is generated in the storage layer, and the center (or center of gravity) of the magnetization is shifted not to the middle of the storage layer but to the thickened lower free layer 42 side.
[0033]
In the TMR element of FIG. 1, the shift of the RH curve can be reduced as much as possible by the following means. Here, the magnetization M, the saturation magnetization Ms, and the thickness t of each layer in the TMR element of FIG. 1 are expressed as follows.
[0034]
Second pinned layer 6 M_p2, Ms_p2, T_p2
Second tunnel barrier layer 5 t_b2
Upper free layer 42 M_f2, Ms_f2, T_f2
Nonmagnetic layer 40 t_fn
Lower free layer 41 M_f1, Ms_f1, T_f1
First tunnel barrier layer 3 t_b1
First pinned layer 2 M_p1, Ms_p1, T_p1
First, the following means are used in order to reduce the shift of the RH curve due to Neel coupling. As shown in Equation 1, the factors that determine the magnitude of the Neel coupling are the roughness of the tunnel barrier layer interface, the saturation magnetization of the pinned layer, the thickness of the free layer and the tunnel barrier layer. In a double junction TMR element, the thickness of the two tunnel barrier layers is usually the same, ie t_b1= T_b2And At this time, the roughness of the interface between the two tunnel barrier layers is almost the same. In this case, the saturation magnetization of the first pinned layer 2 and the second pinned layer 6 is the same, that is, Ms_p1= Ms_p2By doing so, the shift of the RH curve due to the Neel coupling can be almost canceled.
[0035]
On the other hand, in order to reduce the shift of the RH curve due to the leakage magnetic field magnetostatic coupling, the magnetization M of the lower free layer 41 is reduced._f1And the magnetization M of the upper free layer 42_f2In accordance with the difference between the magnetization M of the first pinned layer 2_p1And magnetization M of the second pinned layer 6_p2Adjust. In particular,
M_f1> M_f2If M_p1<M_p2,
M_f1<M_f2If M_p1> M_p2
And By adjusting the magnetization of each ferromagnetic layer in this manner, the magnetostatic coupling due to the leakage magnetic field acts in the vicinity of the magnetization free layer (memory layer) 4 and the RH curve of the leakage magnetic field magnetostatic coupling is corrected. The shift can be reduced.
[0036]
More strictly, the design is such that the magnitudes of the leakage magnetic fields from the two pinned

layers

2 and 6 are substantially the same in the vicinity of the end face corresponding to the central position of the magnetization of the magnetization free layer (storage layer) 4.
[0037]
For simplicity, the saturation magnetization of the lower free layer 41 and the upper free layer 42 is equal, that is, Ms._f1= Ms_f2And As mentioned above, t_b1= T_b2, Ms_p1= Ms_p2It is.
[0038]
The center of magnetization of the entire free layer 4 is a = (t from the upper surface of the lower tunnel barrier._f1+ T_f2) / 2 + t_fnXt_f2/ (T_f1+ T_f2). In order to cancel the magnetostatic coupling due to the leakage magnetic field from the two

pin layers

2 and 6 at the end face corresponding to the center position of the entire free layer, the first pin layer 2 and the second pin satisfy the following relational expression. Layer 6 thickness t_p1, T_p2To decide.
[0039]
1 / (t_b1+ A) -1 / (t_b1+ A + t_p1) =
1 / (t_b2+ T_f-A) -1 / (t_b2+ T_f-A + t_p2) ... Formula 2
(Where t_f= T_f1+ T_f2+ T_fnIs).
[0040]
For example, M_f1> M_f2(T_f1> T_f2), To satisfy Equation 2, t_p1<T_p2As M_p1<M_p2To satisfy the relationship. Conversely, M_f1<M_f2(T_f1<T_f2), T_p1> T_p2As M_p1> M_p2To satisfy the relationship.
[0041]
M_f1= M_f2In case of M_p1= M_p2However, in this case, the direction of magnetization cannot be defined, which is inappropriate.
[0042]
FIG. 2 is a diagram schematically showing a laminated structure of a double junction TMR element according to the second embodiment of the present invention. The TMR element includes a first magnetization pinned layer (first pinned layer) 2 having a three-layer structure of a first antiferromagnetic layer 1, a CoFe lower pinned layer 21 / Ru nonmagnetic layer 20 / CoFe upper pinned layer 22, Al₂O_ThreeFirst tunnel barrier layer 3, NiFeCo lower free layer 41 / Ru nonmagnetic layer 40 / NiFeCo upper free layer 42, a magnetization free layer (memory layer) 4 having a three-layer structure, Al₂O_ThreeThe second tunnel barrier layer 5, the CoFe second magnetization pinned layer (second pinned layer) 6, and the second antiferromagnetic layer 7 are stacked.
[0043]
The TMR element of FIG. 2 is different from the TMR element of FIG. 1 in that the first pinned layer 2 has a synthetic pin structure having a three-layer structure of a ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer. The lower pinned layer 21 and the upper pinned layer 22 included in the first pinned layer 2 are antiferromagnetically coupled via the nonmagnetic layer 20, whereby the first pinned layer 2 (upper pinned layer 22) and the second pinned layer are connected. The directions of magnetization of the layers 6 are opposite to each other. The magnetization of the upper pinned layer 22 in contact with the tunnel barrier layer 3 is larger than the magnetization of the lower pinned layer 21 in contact with the antiferromagnetic layer 1.
[0044]
As in FIG. 1, the lower free layer 41 and the upper free layer 42 of the magnetization free layer (storage layer) 4 are antiferromagnetically coupled via the nonmagnetic layer 40, and the magnetization directions are opposite to each other. . The magnitudes of the magnetizations of the lower free layer 41 and the upper free layer 42 are set so that one of them becomes larger. For example, when the film thickness of the lower free layer 41 is made larger than the film thickness of the upper free layer 42, the magnetization of the lower free layer 41 becomes larger than the magnetization of the upper free layer 42.
[0045]
In the TMR element of FIG. 2, the shift of the RH curve can be reduced as much as possible by the following means. Here, the magnetization M, the saturation magnetization Ms, and the thickness t of each layer in the TMR element of FIG. 2 are expressed as follows.
[0046]
Second pinned layer 6 M_p2, Ms_p2, T_p2
Second tunnel barrier layer 5 t_b2
Upper free layer 42 M_f2, Ms_f2, T_f2
Nonmagnetic layer 40 t_fn
Lower free layer 41 M_f1, Ms_f1, T_f1
First tunnel barrier layer 3 t_b1
Upper pinned layer 22 M_p12, Ms_p12, T_p12
Nonmagnetic layer 20 M_p1n, Ms_p1n, T_p1n
Lower pinned layer 21 M_p11, Ms_p11, T_p11
Ms to cancel nail join_p12= Ms_p2, T_b1= T_b2And Also, for simplicity, Ms_p11= Ms_p12And the saturation magnetization of the lower free layer 41 and the upper free layer 42 are equal, that is, Ms_f1= Ms_f2And
[0047]
In order to reduce the shift of the RH curve due to the leakage magnetic field magnetostatic coupling, the following design is performed. For example, the thickness t of the lower free layer 41_f1The thickness t of the upper free layer 42_f2Thicker, Ms_f2・ T_f2<Ms_f1・ T_f1If
Ms_p12・ T_p12-Ms_p11・ T_p11<Ms_p2・ T_p2  ... Formula 3
And More specifically, the thickness of each layer shown in FIG. 2 is set as follows.
[0048]
t_p11= 2 nm, t_p1n= 1 nm, t_p12= 4.7 nm, t_b1= 1.5 nm, t_f1= 3 nm, t_fn= 1 nm, t_f2= 2 nm, t_b2(= T_b1) = 1.5 nm, t_p2= 3 nm.
[0049]
Conversely, the thickness t of the lower free layer 41_f1The thickness t of the upper free layer 42_f2Make it thinner, Ms_f2・ T_f2> Ms_f1・ T_f1If
Ms_p12・ T_p12-Ms_p11・ T_p11> Ms_p2・ T_p2  ... Formula 4
And
[0050]
FIG. 3 is a diagram schematically showing a laminated structure of a double junction TMR element according to the third embodiment of the present invention. The TMR element includes a first magnetization pinned layer (first pinned layer) 2 having a three-layer structure of a first antiferromagnetic layer 1, a CoFe lower pinned layer 21 / Ru nonmagnetic layer 20 / CoFe upper pinned layer 22, Al₂O_ThreeMagnetization free layer having a five-layer structure of first tunnel barrier layer 3, CoFe lower free layer 41 / Ru first nonmagnetic layer 401 / NiFeCo intermediate free layer 43 / Ru second nonmagnetic layer 402 / CoFe upper free layer 42 ( Memory layer) 4, Al₂O_ThreeThe second tunnel barrier layer 5, the CoFe second magnetization pinned layer (second pinned layer) 6, and the second antiferromagnetic layer 7 are stacked.
[0051]
The TMR element of FIG. 3 differs from the TMR element of FIG. 2 in that the magnetization free layer (memory layer) 4 has a five-layer structure of ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer. . The lower free layer 41 and the intermediate free layer 43 are magnetically coupled via the first nonmagnetic layer 401, and the upper free layer 42 and the intermediate free layer 43 are magnetically coupled via the second nonmagnetic layer 402. One of these two magnetic couplings is a ferromagnetic coupling and the other is an antiferromagnetic coupling. FIG. 3 shows an example in which the lower free layer 41 and the intermediate free layer 43 are ferromagnetically coupled, and the upper free layer 42 and the intermediate free layer 43 are antiferromagnetically coupled. As a result, the magnetization directions of the lower free layer 41 and the upper free layer 42 that are in contact with the tunnel barrier layers 3 and 5 in the magnetization free layer (storage layer) 4 are opposite to each other.
[0052]
As in FIG. 2, the lower pinned layer 21 and the upper pinned layer 22 included in the first pinned layer 2 are antiferromagnetically coupled via the nonmagnetic layer 20, thereby the first pinned layer 2 (the upper pinned layer 2 22) and the magnetization directions of the second pinned layer 6 are opposite to each other. The magnetization of the upper pinned layer 22 in contact with the tunnel barrier layer 3 is larger than the magnetization of the lower pinned layer 21 in contact with the antiferromagnetic layer 1.
[0053]
In the TMR element shown in FIG. 3, the shift of the RH curve can be reduced as much as possible by the following means. Here, the magnetization M, the saturation magnetization Ms, and the thickness t of each layer in the TMR element of FIG. 3 are expressed as follows.
[0054]
Second pinned layer 6 M_p2, Ms_p2, T_p2
Second tunnel barrier layer 5 t_b2
Upper free layer 42 M_f2, Ms_f2, T_f2
Second nonmagnetic layer 402 t_fn2
Intermediate free layer 43 M_f3, Ms_f3, T_f3
First nonmagnetic layer 401 t_fn1
Lower free layer 41 M_f1, Ms_f1, T_f1
First tunnel barrier layer 3 t_b1
Upper pinned layer 22 M_p12, Ms_p12, T_p12
Nonmagnetic layer 20 M_p1n, Ms_p1n, T_p1n
Lower pinned layer 21 M_p11, Ms_p11, T_p11
Ms to cancel nail join_p12= Ms_p2, T_b1= T_b2And Also, for simplicity, Ms_p11= Ms_p12And the saturation magnetization of the lower free layer 41 and the upper free layer 42 are equal, that is, Ms_f1= Ms_f2And
[0055]
To reduce the shift of the RH curve due to the leakage magnetic field magnetostatic coupling,
Ms_f2・ T_f2≒ Ms_f1・ T_f1  ... Formula 5
Ms_p12・ T_p12-Ms_p11・ T_p11≒ Ms_p2・ T_p2  ... Formula 6
And More specifically, the thickness of each layer shown in FIG. 3 is set as follows.
[0056]
t_p11= 2 nm, t_p1n= 1 nm, t_p12= 5 nm, t_b1= 1.5 nm, t_f1= 2 nm, t_fn1= 1.4 nm, t_f3= 2 nm, t_fn2= 1 nm, t_f2= 2 nm, t_b2(= T_b1) = 1.5 nm, t_p2= 3 nm.
[0057]
In the magnetization free layer (memory layer) having a five-layer structure of ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer, the material of the nonmagnetic layer is Au, Ag, Ir, Cr, Re, Nb, Pd, Pt, Cu, Ru, or the like can be used. In order to make one of the two magnetic couplings a ferromagnetic coupling and the other an antiferromagnetic coupling, the thicknesses of the two magnetic layers may be set appropriately in accordance with the respective nonmagnetic materials. For example, in FIG. 3, in order to ferromagnetically couple the lower free layer 41 and the intermediate free layer 43, Ru having a thickness of 1.4 nm is used as the first nonmagnetic layer, but instead, Cu having a thickness of 1 nm is used. May be used.
[0058]
FIG. 4 is a diagram schematically showing a laminated structure of a double junction TMR element according to the fourth embodiment of the present invention. The TMR element includes a first magnetization pinned layer (first pinned layer) 2 having a three-layer structure of a first antiferromagnetic layer 1, a CoFe lower pinned layer 21 / Ru nonmagnetic layer 20 / CoFe upper pinned layer 22, Al₂O_ThreeFirst tunnel barrier layer 3, NiFeCo lower free layer 41 / Ru nonmagnetic layer 40 / NiFeCo upper free layer 42, a magnetization free layer (memory layer) 4 having a three-layer structure, Al₂O_ThreeThe second tunnel barrier layer 5, the second magnetization pinned layer having the five-layer structure of CoFe lower pinned layer 61 / Ru nonmagnetic layer 601 / CoFe intermediate pinned layer 62 / Ru nonmagnetic layer 602 / CoFe upper pinned layer 63 (second The pinned layer 6 and the second antiferromagnetic layer 7 are stacked.
[0059]
In the TMR element of FIG. 4, the first pinned layer 2 has a three-layer synthetic pin structure, and the second pinned layer has a five-layer synthetic pin structure. The lower pinned layer 21 and the upper pinned layer 22 included in the first pinned layer 2 are antiferromagnetically coupled via the nonmagnetic layer 20. Similarly, the lower pinned layer 61, the intermediate pinned layer 62, and the upper pinned layer 63 included in the second pinned layer 6 are antiferromagnetically coupled via the

nonmagnetic layers

601 and 602. Thereby, the magnetization directions of the first pinned layer 2 (upper pinned layer 22) and the second pinned layer 6 (lower pinned layer 61) are opposite to each other.
[0060]
Similar to FIGS. 1 and 2, the lower free layer 41 and the upper free layer 42 of the magnetization free layer (storage layer) 4 are antiferromagnetically coupled via the nonmagnetic layer 40, and the magnetization directions are opposite to each other. Become the direction. The magnitudes of the magnetizations of the lower free layer 41 and the upper free layer 42 are set so that one of them becomes larger. For example, when the film thickness of the lower free layer 41 is made larger than the film thickness of the upper free layer 42, the magnetization of the lower free layer 41 becomes larger than the magnetization of the upper free layer 42. A leakage magnetic field is generated from the magnetization free layer (storage layer) 4.
[0061]
In the TMR element of FIG. 4, the shift of the RH curve can be reduced as much as possible by the following means. Here, the magnetization M, the saturation magnetization Ms, and the thickness t of each layer in the TMR element of FIG. 4 are expressed as follows.
[0062]
Upper pinned layer 63 M_p23, Ms_p23, T_p23
Nonmagnetic layer 602 t_p2n2
Intermediate pinned layer 62 M_p22, Ms_p22, T_p22
Nonmagnetic layer 601 t_p2n1
Lower pinned layer 61 M_p21, Ms_p21, T_p21
Second tunnel barrier layer 5 t_b2
Upper free layer 42 M_f2, Ms_f2, T_f2
Second nonmagnetic layer 402 t_fn2
Intermediate free layer 43 M_f3, Ms_f3, T_f3
First nonmagnetic layer 401 t_fn1
Lower free layer 41 M_f1, Ms_f1, T_f1
First tunnel barrier layer 3 t_b1
Upper pinned layer 22 M_p12, Ms_p12, T_p12
Nonmagnetic layer 20 M_p1n, Ms_p1n, T_p1n
Lower pinned layer 21 M_p11, Ms_p11, T_p11
Ms to cancel nail join_p12= Ms_p21, T_b1= T_b2And For simplicity, the saturation magnetization of the lower free layer 41 and the upper free layer 42 is equal, that is, Ms._f1= Ms_f2And
[0063]
To reduce the RH curve shift due to leakage magnetic field magnetostatic coupling, regardless of the magnitude of the free layer magnetization,
M_p12・ T_p12≒ M_p11・ T_p11 ... Formula 7
M_p21・ T_p21+ M_p23・ T_p23≒ M_p22・ T_p22 ... Formula 8
And In this way, the leakage magnetic fields from the first pinned layer 2 and the second pinned layer 6 can be canceled in the respective pinned layers, and the leakage magnetic field magnetostatic coupling to the magnetization free layer (memory layer) 4 is achieved. Does not occur. More specifically, the thickness of each layer shown in FIG. 4 is set as follows.
[0064]
t_p11= 2 nm, t_p1n= 1 nm, t_p12= 2 nm, t_b1= 1.5 nm, t_f1= 3 nm, t_fn= 1 nm, t_f2= 2 nm, t_b2(= T_b1) = 1.5 nm, t_p21= 2 nm, t_p2n1= 1 nm, t_p22= 4 nm, t_p2n2(= T_p2n1) = 1 nm, t_p23(= T_p21) = 2 nm.
[0065]
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a memory cell of the magnetic memory device according to the present invention. In FIG. 5, a gate electrode 102 is formed on a silicon substrate 101, and source /

drain regions

103 and 104 are formed on the surface of the silicon substrate 101 on both sides of the gate electrode 102. A selection transistor is formed by these members. The gate electrode 102 extends in a direction perpendicular to the paper surface and is used as a word line (WL1). An insulating layer 105 is formed on the entire surface of the silicon substrate 101. In this insulating film 105, a connection plug 106 connected to the drain region 104 of the selection transistor, a word line (WL2) 107 extending in a direction perpendicular to the paper surface, and a connection are formed. A base electrode 108 connected to the plug 106 and a TMR element 109 which is disposed above the word line (WL2) 107 and connected to the base electrode 108 are embedded. A bit line (BL) 110 extending in a direction intersecting with the direction of the word line (WL 2) 107 is connected to the upper surface of the TMR element 109. As the TMR element 109, for example, any one of FIGS.
[0066]
As shown in FIG. 5, the magnetic memory device includes a word line (WL2) 107 extending in a direction perpendicular to the paper surface, a bit line 110 extending in a direction intersecting with the word line (WL2) 107, and a word line. (WL2) 107 and a TMR element 109 provided between the bit line 110. A write operation to the TMR element 109 is performed by causing a write current to flow through the word line (WL2) 107 and the bit line 110 to generate a current magnetic field, and reversing the magnetization of the magnetization free layer of the TMR element 109 by the combined magnetic field of both. Done. The read operation is performed by turning on the selection transistor and passing a sense current through the TMR element 109 between the base electrode 108 and the bit line 110 and measuring a change in magnetoresistance.
[0067]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, a double-junction TMR element having no RH curve shift can be obtained. By using this double-junction TMR element for a memory cell, an MRAM that consumes less power and is less prone to erroneous writing. Can be manufactured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram schematically showing a laminated structure of a double junction TMR element according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram schematically showing a laminated structure of a double junction TMR element according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram schematically showing a laminated structure of a double junction TMR element according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram schematically showing a multilayer structure of a double junction TMR element according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a memory cell of a magnetic memory device according to the present invention.
FIG. 6 is a diagram schematically showing a laminated structure of a conventional double junction TMR element.
FIG. 7 is a diagram for explaining a shift of an RH curve.
FIG. 8 is a diagram illustrating nail coupling.
[Explanation of symbols]
1 ... 1st antiferromagnetic layer
2... First magnetization pinned layer (first pinned layer)
3. First tunnel barrier layer
4 ... Magnetized free layer (free layer)
5 ... Second tunnel barrier layer
6 ... 2nd magnetization pinned layer (2nd pinned layer)
7. Second antiferromagnetic layer
101 ... Silicon substrate
102 ... Gate electrode (WL1)
103, 104 ... source / drain regions
105: Insulating layer
106 ... Connection plug
107: Word line (WL2)
108: Base electrode
109 ... TMR element
110: Bit line (BL)

Claims

A first magnetization pinned layer; a first tunnel barrier layer; a magnetization free layer including a first ferromagnetic layer, a nonmagnetic layer and a second ferromagnetic layer; a second tunnel barrier layer; The first and second magnetization pinned layers have opposite magnetization directions, and the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer are nonmagnetic. Antiferromagnetically coupled via a layer, wherein one of the first and second ferromagnetic layers has a larger magnetization than the other, and one of the first and second pinned layers has a magnetization of the other A magnetoresistive element, wherein a magnetization pinned layer having a magnetization larger than that of the first and second ferromagnetic layers is formed on a side closer to a ferromagnetic layer having a smaller magnetization.

First magnetization pinned layer, first tunnel barrier layer, first ferromagnetic layer, first nonmagnetic layer, third ferromagnetic layer, second nonmagnetic layer, and second ferromagnetic layer A first magnetization barrier layer, a second tunnel barrier layer, and a second magnetization pinned layer, the magnetization directions of the first and second magnetization pinned layers being opposite to each other, The ferromagnetic layer and the third ferromagnetic layer are magnetically coupled via the first nonmagnetic layer, and the second ferromagnetic layer and the third ferromagnetic layer are coupled to the second nonmagnetic layer. Magnetic coupling is performed through the magnetic layer, one of these two magnetic couplings is ferromagnetic coupling, and the other is antiferromagnetic coupling, and the magnitudes of the magnetizations of the first and second ferromagnetic layers are approximately equal. The magnetoresistive effect element is characterized in that the magnitudes of magnetization of the first and second magnetization fixed layers are substantially equal .

3. The magnetoresistive element according to claim 1 , wherein the saturation magnetization magnitudes of the first magnetization pinned layer and the second magnetization pinned layer are substantially equal.

Any one of the first magnetization pinned layer and the second magnetization pinned layer is a lamination of a ferromagnetic layer in contact with an antiferromagnetic layer, a nonmagnetic layer, and a ferromagnetic layer in contact with a tunnel barrier layer. The two ferromagnetic layers are antiferromagnetically coupled via a nonmagnetic layer, and the magnetization of the ferromagnetic layer in contact with the tunnel barrier layer is larger than the magnetization of the ferromagnetic layer in contact with the antiferromagnetic layer. 4. The magnetoresistive effect element according to claim 1 , wherein the other magnetization pinned layer comprises a ferromagnetic layer in contact with the antiferromagnetic layer and the tunnel barrier layer.

A first wiring extending in a first direction; a second wiring extending above the first wiring in a direction intersecting the first direction; the first wiring; 5. A magnetic memory device comprising: the magnetoresistive effect element according to claim 1 provided between two wirings.