JP4594694B2 - Magnetoresistive effect element - Google Patents

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Description

本発明は、磁気抵抗効果素子の形状に関し、特に、磁気ランダムアクセスメモリに使用される。   The present invention relates to the shape of a magnetoresistive effect element, and is particularly used for a magnetic random access memory.

近年、巨大磁気抵抗(GMR: Giant Magneto Resistive)効果を示す磁気メモリ素子が開発されたことに伴い、強磁性トンネル接合を持つ素子が磁気メモリのメモリ素子として使用されるようになっている。   In recent years, with the development of a magnetic memory element exhibiting a giant magnetoresistive (GMR) effect, an element having a ferromagnetic tunnel junction has been used as a memory element of a magnetic memory.

強磁性トンネル接合は、強磁性層/絶縁層/強磁性層の積層構造から構成され、2つの強磁性層の間に電圧を印加することにより絶縁層にトンネル電流が流れる。この場合、接合抵抗値は、2つの強磁性層の磁化の向きの相対角の余弦に比例して変化する。   The ferromagnetic tunnel junction has a laminated structure of a ferromagnetic layer / insulating layer / ferromagnetic layer, and a tunnel current flows through the insulating layer by applying a voltage between the two ferromagnetic layers. In this case, the junction resistance value changes in proportion to the cosine of the relative angle of the magnetization directions of the two ferromagnetic layers.

従って、接合抵抗値は、2つの強磁性層の磁化の向きが同じ(平行状態)であるときに、最も小さい値となり、逆に、2つの強磁性層の磁化の向きが逆(反平行状態)であるときに、最も大きい値となる。   Therefore, the junction resistance value is the smallest when the magnetization directions of the two ferromagnetic layers are the same (parallel state), and conversely, the magnetization directions of the two ferromagnetic layers are opposite (anti-parallel state). ) Is the largest value.

このような接合抵抗値が2つの強磁性層の磁化パターンにより変化する現象は、トンネル磁気抵抗(TMR: Tunneling Magneto Resistive)効果と呼ばれている。最近では、TMR効果によるMTJ(Magnetic Tunnel Junction)素子の抵抗値の変化率(MR比)は、常温において49.7%になることが報告されている。   Such a phenomenon that the junction resistance value changes depending on the magnetization patterns of the two ferromagnetic layers is called a tunneling magnetoresistive (TMR) effect. Recently, it has been reported that the rate of change (MR ratio) in the resistance value of an MTJ (Magnetic Tunnel Junction) element due to the TMR effect is 49.7% at room temperature.

強磁性トンネル接合を持つ磁気抵抗効果素子においては、2つの強磁性層のうちの一方を、磁化パターンが固定された基準層(ピン層)とし、他方を、データに応じて磁化パターンが変化する記憶層(フリー層)とする。そして、例えば、基準層と記憶層の磁化が平行状態にあるときを“0”とし、反平行状態にあるときを“1”とする。   In a magnetoresistive effect element having a ferromagnetic tunnel junction, one of two ferromagnetic layers is used as a reference layer (pinned layer) having a fixed magnetization pattern, and the other is changed in magnetization pattern according to data. A storage layer (free layer) is used. For example, “0” is set when the magnetizations of the reference layer and the storage layer are in a parallel state, and “1” is set when the magnetization is in an antiparallel state.

データの書き込みは、例えば、書き込み線に流す書き込み電流により発生する磁場を磁気抵抗効果素子に与え、その磁気抵抗効果素子の記憶層の磁化の向きを反転させることにより行う。データの読み出しは、磁気抵抗効果素子の強磁性トンネル接合に読み出し電流を流し、TMR効果による強磁性トンネル接合の抵抗変化を検出することにより行われる。   Data is written, for example, by applying a magnetic field generated by a write current flowing through the write line to the magnetoresistive effect element and reversing the magnetization direction of the storage layer of the magnetoresistive effect element. Data is read by passing a read current through the ferromagnetic tunnel junction of the magnetoresistive effect element and detecting a resistance change of the ferromagnetic tunnel junction due to the TMR effect.

このような磁気抵抗効果素子をアレイ状に配置することにより磁気メモリが構成される。実際の構成については、磁気抵抗効果素子をランダムアクセスできるように、例えば、ダイナミックランダムアクセスメモリ(DRAM)と同様に、1つの磁気抵抗効果素子に対して1つのスイッチングトランジスタを接続させる。   A magnetic memory is configured by arranging such magnetoresistive elements in an array. As for the actual configuration, one switching transistor is connected to one magnetoresistive element, for example, like a dynamic random access memory (DRAM), so that the magnetoresistive element can be randomly accessed.

また、ワード線とビット線が交差する位置に、ダイオードと強磁性トンネル接合とが組み合わされた磁気抵抗効果素子を配置する技術も提案されている。   In addition, a technique has been proposed in which a magnetoresistive effect element in which a diode and a ferromagnetic tunnel junction are combined is arranged at a position where a word line and a bit line intersect.

さて、強磁性トンネル接合を持つ磁気抵抗効果素子の高集積化を考えると、セルサイズを小さくしなければならないため、磁気抵抗効果素子の強磁性層のサイズが必然的に小さくなる。   Now, considering high integration of magnetoresistive effect elements having ferromagnetic tunnel junctions, the cell size must be reduced, and therefore the size of the ferromagnetic layer of the magnetoresistive effect element is inevitably reduced.

ここで、強磁性層の性質として、強磁性層の磁気構造(磁化パターン)は、複数の磁区から構成される。長方形の強磁性層の場合、長軸方向の中央部の磁気構造は、磁化が長辺に沿った方向を向く磁区を構成しているが、長軸方向の両端部の磁気構造は、磁化が短辺に沿った方向を向く磁区、いわゆるエッジドメインを構成している。   Here, as a property of the ferromagnetic layer, the magnetic structure (magnetization pattern) of the ferromagnetic layer is composed of a plurality of magnetic domains. In the case of a rectangular ferromagnetic layer, the magnetic structure in the central part in the major axis direction forms a magnetic domain in which the magnetization is directed along the long side. A magnetic domain that faces in a direction along the short side, that is, a so-called edge domain is formed.

エッジドメインは、TMR効果によるMR比を低下させる原因となり、エッジドメインによるMR比の低下の割合は、強磁性層のサイズが小さくなればなるほど大きくなる。また、強磁性層の磁化パターンのスイッチング(磁化反転)を行うに当たって、磁気構造の変化が複雑になるため、ノイズの発生原因となるばかりでなく、保磁力が大きくなり、スイッチング磁場が増大する。   The edge domain causes a decrease in the MR ratio due to the TMR effect, and the rate of decrease in the MR ratio due to the edge domain increases as the size of the ferromagnetic layer decreases. Further, when switching the magnetization pattern of the ferromagnetic layer (magnetization reversal), the change in the magnetic structure becomes complicated, which not only causes noise, but also increases the coercive force and increases the switching magnetic field.

この問題を解決するために、記憶層(強磁性層)の形状を、磁化容易軸に対して非対称となる形状、例えば、平行四辺形とする磁気抵抗効果素子が提案されている(例えば、特許文献1参照)。   In order to solve this problem, there has been proposed a magnetoresistive element in which the shape of the storage layer (ferromagnetic layer) is asymmetric with respect to the easy magnetization axis, for example, a parallelogram (for example, a patent) Reference 1).

この技術によれば、エッジドメインが小さくなるため、記憶層のほぼ全体にわたって単一の磁区を構成できる。   According to this technique, since the edge domain becomes small, a single magnetic domain can be formed over almost the entire storage layer.

一方、スイッチング時における強磁性層の磁気構造の複雑な変化を防ぐ方法として、記憶層(強磁性層)の端部にハードバイアスを与えてエッジドメインを常に固定しておく技術が提案されている(例えば、特許文献2参照)。   On the other hand, as a method for preventing a complicated change in the magnetic structure of the ferromagnetic layer at the time of switching, a technique has been proposed in which the edge domain is always fixed by applying a hard bias to the end of the storage layer (ferromagnetic layer). (For example, refer to Patent Document 2).

また、長方形の記憶層(強磁性層)に対して、磁化容易軸方向に垂直な方向に突出した部分を新たに付加し、記憶層の形状を、H型、若しくは、I型とする技術が提案されている(例えば、特許文献3参照)。   Further, there is a technique in which a part protruding in a direction perpendicular to the easy magnetization axis direction is newly added to the rectangular storage layer (ferromagnetic layer), and the shape of the storage layer is changed to an H type or an I type. It has been proposed (see, for example, Patent Document 3).

このように、記憶層の形状をH型、若しくは、I型とすることにより、スイッチング時における強磁性層の磁気構造の複雑な変化を防ぎ、スイッチング磁場を低下させることができる。   Thus, by making the shape of the memory layer H type or I type, a complicated change in the magnetic structure of the ferromagnetic layer at the time of switching can be prevented and the switching magnetic field can be lowered.

ところで、強磁性層のサイズが小さくなると、その保磁力は大きくなる。保磁力の大きさは、磁化を反転するために必要なスイッチング磁場の大きさの目安となるため、保磁力が大きくなるということは、磁気抵抗効果素子のスイッチング磁場が大きくなることを意味する。   By the way, as the size of the ferromagnetic layer decreases, the coercive force increases. Since the magnitude of the coercive force is a measure of the magnitude of the switching magnetic field necessary for reversing the magnetization, an increase in the coercive force means an increase in the switching magnetic field of the magnetoresistive element.

従って、磁気抵抗効果素子の微細化により強磁性層のサイズが小さくなると、データの書き込み時に大きな書き込み電流が必要となり、消費電力の増加、配線寿命の短命化などの好ましくない結果をもたらす。   Therefore, if the size of the ferromagnetic layer is reduced due to the miniaturization of the magnetoresistive effect element, a large write current is required at the time of data writing, resulting in undesirable results such as an increase in power consumption and a shortened wiring life.

このようなことから、磁気抵抗効果素子の微細化とそれに用いる強磁性層の保磁力の低減とを同時に実現することが、大容量磁気メモリを実用化するに当たって必要不可欠な課題となっている。   For this reason, simultaneously miniaturizing the magnetoresistive effect element and reducing the coercive force of the ferromagnetic layer used for it are indispensable issues for practical use of a large-capacity magnetic memory.

この課題を解決するために、記憶層が、少なくとも、2つの強磁性層と、それらの間に配置される非磁性層とから構成される磁気抵抗効果素子が提案されている(例えば、特許文献4参照)。   In order to solve this problem, there has been proposed a magnetoresistive effect element in which the storage layer is composed of at least two ferromagnetic layers and a nonmagnetic layer disposed between them (for example, Patent Documents). 4).

この場合、2つの強磁性層は、磁気モーメント又は厚さが異なり、反強磁性結合により磁化の向きが互いに逆となる。このため、実効的には、互いに磁化による影響を相殺し合うため、記憶層全体としては、磁化容易軸方向に小さな磁化を持った強磁性体と同等と考えることができる。   In this case, the two ferromagnetic layers have different magnetic moments or thicknesses, and the magnetization directions are opposite to each other due to antiferromagnetic coupling. For this reason, in order to effectively cancel out the influences of magnetization, the entire storage layer can be considered as equivalent to a ferromagnetic material having a small magnetization in the easy axis direction.

この磁化容易軸方向の小さな磁化の向きに対して逆に磁場を印加すると、強磁性層の磁化は、反強磁性結合を保ったまま反転する。この時、磁力線が閉じていることから反磁場による影響は小さくなる。また、記憶層のスイッチング磁場は、強磁性層の保磁力により決まるため、小さなスイッチング磁場で磁化の反転が可能になる。   When a magnetic field is applied to the small magnetization direction in the easy axis direction, the magnetization of the ferromagnetic layer is reversed while maintaining antiferromagnetic coupling. At this time, the influence of the demagnetizing field is reduced because the magnetic lines of force are closed. In addition, since the switching magnetic field of the storage layer is determined by the coercive force of the ferromagnetic layer, the magnetization can be reversed with a small switching magnetic field.

尚、2つの強磁性層の間に層間結合がない場合には、これら強磁性層からの洩れ磁場によって静磁結合による相互作用が発生する。この場合においても、スイッチング磁場の低減を図ることができる(例えば、非特許文献1参照)。   When there is no interlayer coupling between the two ferromagnetic layers, an interaction due to magnetostatic coupling occurs due to the leakage magnetic field from these ferromagnetic layers. Even in this case, the switching magnetic field can be reduced (for example, see Non-Patent Document 1).

しかし、2つの強磁性層の間に層間結合がなく、静磁結合のみが存在する場合には、強磁性層の磁気構造が不安定になる。また、この場合、ヒステリシス曲線又は磁気抵抗曲線における角型比が小さくなり、大きな磁気抵抗比を得ることが困難となるので、磁気抵抗効果素子としては好ましくない。
このように、記憶層の磁区に関し、複雑化を避け、安定化させることは、大きくてノイズの少ない出力信号を得るために必要不可欠な要素となる。
However, when there is no interlayer coupling between the two ferromagnetic layers and only magnetostatic coupling exists, the magnetic structure of the ferromagnetic layer becomes unstable. Further, in this case, the squareness ratio in the hysteresis curve or the magnetoresistance curve becomes small, and it becomes difficult to obtain a large magnetoresistance ratio.
Thus, regarding the magnetic domain of the storage layer, it is indispensable to avoid the complication and stabilize it in order to obtain a large output signal with little noise.

しかし、一般に、平行四辺形の記憶層においては、磁気構造が簡単になり、ほぼ単一磁区となる反面、保磁力及びスイッチング磁場が大きくなる。   However, in general, in the parallelogram storage layer, the magnetic structure is simplified, and the coercive force and the switching magnetic field are increased while the magnetic layer is almost a single magnetic domain.

また、記憶層の端部にエッジドメインを固定するためのハードバイアス構造を付加することにより磁化反転の際の挙動が制御できるが、この場合も、保磁力が増加する。また、エッジドメインを固定するためのハードバイアス構造の付加が必要になるため、大容量メモリなどに要求される高密度化には適さない。   Further, by adding a hard bias structure for fixing the edge domain to the end of the storage layer, the behavior at the time of magnetization reversal can be controlled, but in this case also the coercive force increases. Further, since it is necessary to add a hard bias structure for fixing the edge domain, it is not suitable for high density required for a large capacity memory or the like.

さらに、H型又はI型の記憶層においては、スイッチング時における強磁性層の磁気構造の複雑な変化を防ぐ、という効果を最大限に引き出すには、磁化容易軸方向に垂直な方向に突出した部分を大きくする必要がある。しかし、この場合、磁気抵抗効果素子のサイズが実質的に増加するため、大容量メモリなどに要求される高集積化には適さない。   Further, in the H-type or I-type storage layer, in order to maximize the effect of preventing a complicated change in the magnetic structure of the ferromagnetic layer at the time of switching, it protrudes in a direction perpendicular to the easy axis direction. It is necessary to enlarge the part. However, in this case, since the size of the magnetoresistive effect element is substantially increased, it is not suitable for high integration required for a large capacity memory or the like.

磁気ランダムアクセスメモリにおけるデータ書き込み動作では、磁気トンネル接合を持つMTJ素子のスイッチング曲線が重要である。   In the data write operation in the magnetic random access memory, the switching curve of the MTJ element having the magnetic tunnel junction is important.

MTJ素子は、互いに交差する2本の書き込み線の交差部に配置される。データ書き込みは、これら2本の書き込み線に流れる電流により発生する磁場によりMTJ素子の磁化の向きを反転させることにより行う。2本の書き込み線のうちのいずれか1本に流れる電流により発生する磁場のみでは、MTJ素子に対するデータ書き込みは行われない。   The MTJ element is disposed at the intersection of two write lines that intersect each other. Data writing is performed by reversing the magnetization direction of the MTJ element by a magnetic field generated by currents flowing through these two write lines. Data writing to the MTJ element is not performed only with a magnetic field generated by a current flowing through one of the two write lines.

従って、スイッチング曲線は、MTJ素子の記憶層の磁化容易軸(easy axis)と磁化困難軸(hard axis)により形成される平面上において、スイッチング(磁化反転)に必要な磁化容易軸方向の磁場の大きさと磁化困難軸方向の磁場の大きさにより定義される。   Therefore, the switching curve shows the magnetic field in the easy axis direction necessary for switching (magnetization reversal) on the plane formed by the easy axis and hard axis of the memory layer of the MTJ element. It is defined by the magnitude and the magnitude of the magnetic field in the hard axis direction.

スイッチング曲線は、単磁区モデルでは、アステロイド曲線として表現されることが知られている。書き込み特性は、スイッチング曲線でほぼ決まるため、スイッチング曲線を変形させて、書き込みウインドウを大きく取ることや、2本の書き込み線のうちの1本に流れる電流により発生する磁場のみが印加される半選択状態のMTJ素子の安定性を増すための試みが行われている。   It is known that the switching curve is expressed as an asteroid curve in the single domain model. Since the write characteristics are almost determined by the switching curve, the switching curve is deformed to increase the write window, or the half-selection in which only the magnetic field generated by the current flowing through one of the two write lines is applied. Attempts have been made to increase the stability of state MTJ elements.

そして、そのようなスイッチング曲線を実現するための方法として、MTJ素子の形状を変形させる、という提案がなされている。   As a method for realizing such a switching curve, a proposal has been made to change the shape of the MTJ element.

例えば、そらまめ型(C型)MTJ素子というものがある(例えば、特許文献5参照)。そらまめ型MTJ素子の特徴は、磁化困難軸方向の磁場が小さいときには、磁気構造(磁化パターン)がC型磁区を構成し、磁化困難軸方向の磁場が大きいときには、磁気構造がS型磁区を構成するという点にある。   For example, there is a so-called (C-type) MTJ element (see, for example, Patent Document 5). The feature of the uniform MTJ element is that when the magnetic field in the hard axis direction is small, the magnetic structure (magnetization pattern) forms a C-type magnetic domain, and when the magnetic field in the hard axis direction is large, the magnetic structure forms an S-type magnetic domain. It is in the point to do.

C型磁区を構成している場合、記憶層の磁化の向きは反転し難く、S型磁区を構成している場合、記憶層の磁化の向きは反転し易いため、半選択状態のMTJ素子に対する誤書き込みを防止すると共に、書き込み時における保磁力を低下させ、スイッチング磁場を低下させることができる(C−Sスイッチング)。   When the C-type magnetic domain is configured, the magnetization direction of the storage layer is difficult to reverse. When the S-type magnetic domain is configured, the magnetization direction of the storage layer is easily reversed. In addition to preventing erroneous writing, it is possible to reduce the coercive force during writing and to reduce the switching magnetic field (CS switching).

また、磁化困難軸方向の磁場が小さいときの磁気構造がC型磁区を構成する形状としては、そらまめ型の他に、十字型が存在する。十字型MTJ素子は、磁化困難軸方向の磁場が小さいときの磁気構造が2つのC型磁区を構成する点に特徴を有する。十字型MTJ素子では、磁化容易軸又は磁化困難軸に対して45°をなす方向のスイッチング磁場を低下させることができる。   Further, as a shape in which the magnetic structure when the magnetic field in the hard axis direction is small forms a C-type magnetic domain, there is a cross shape in addition to the flat shape. The cross-shaped MTJ element is characterized in that the magnetic structure when the magnetic field in the hard axis direction is small forms two C-type magnetic domains. In the cross-shaped MTJ element, the switching magnetic field in the direction of 45 ° with respect to the easy magnetization axis or the hard magnetization axis can be reduced.

しかし、いずれにしても、現状のそらまめ型若しくは十字型を有するMTJ素子では、十分に満足できる書き込み特性を得ることができない。さらに、広い書き込みウインドウを持ち、かつ、半選択状態のMTJ素子の状態を安定させることができる形状が要求されている。
特開平11−273337号公報 米国特許第5,748,524号 米国特許第6,205,053号 米国特許第5,953,248号 特開2003−78112 第24回日本応用磁気学会学術講演会12aB-3、12aB-7,第24回日本応用磁気学会学術講演概要集 p.26-27
However, in any case, a sufficiently satisfying write characteristic cannot be obtained with the current MTJ element having the uniform or cross shape. Furthermore, there is a demand for a shape having a wide writing window and capable of stabilizing the state of the half-selected MTJ element.
Japanese Patent Laid-Open No. 11-273337 US Pat. No. 5,748,524 US Pat. No. 6,205,053 US Pat. No. 5,953,248 JP 2003-78112 A 24th Annual Meeting of the Japan Society of Applied Magnetics 12aB-3, 12aB-7, 24th Annual Meeting of the Japan Society of Applied Magnetics p.26-27

本発明の目的は、微細化されても、安定な磁気構造を持ち、かつ、書き込み時には、半選択セルの誤書き込みを防止しつつ、スイッチング磁場を低減させることができる磁気抵抗効果素子を提案することにある。   An object of the present invention is to propose a magnetoresistive effect element that has a stable magnetic structure even when miniaturized, and can reduce a switching magnetic field while preventing erroneous writing of a half-selected cell during writing. There is.

本発明の例に係わる磁気抵抗効果素子は、第1及び第2強磁性層とこれらの間に配置される非磁性層とからなる積層構造を有する磁気抵抗効果素子において、互いに対向する2つの辺のうちの1つに窪んだ第1の曲面を有し、他の1つに膨らんだ第2の曲面を有し、前記第1及び第2の曲面の端部同士が互いに結合する平面形状を文字Cの形状と定義した場合に、前記第2強磁性層の平面形状は、同じ方向を向き、磁化困難軸方向に前記第1及び第2の曲面を向けた2つ以上の前記文字Cの形状を、磁化容易軸方向に隣り合わせに並べて互いに結合させた形状を有し、前記第1強磁性層をピン層、前記第2強磁性層をフリー層として備え、少なくとも前記磁化困難軸方向の磁場が零のときに前記第2強磁性層の磁化パターンが2つ以上のC型磁区を維持するMagnetoresistive element according to the embodiment of the present invention, the magnetoresistance effect element having a laminated structure made of a non-magnetic layer and disposed between the first and second ferromagnetic layers, two opposing sides A first curved surface that is recessed in one of the two, a second curved surface that is swollen in the other, and a planar shape in which ends of the first and second curved surfaces are coupled to each other. When the shape of the letter C is defined, the planar shape of the second ferromagnetic layer is the same direction, and the two or more letters C having the first and second curved surfaces oriented in the hard magnetization axis direction. The first ferromagnetic layer is a pinned layer and the second ferromagnetic layer is a free layer, and the magnetic field is at least in the hard axis direction. The magnetization pattern of the second ferromagnetic layer is two or more C-type when is zero To maintain the ward.

本発明の例に係わる磁気抵抗効果素子は、第1及び第2強磁性層とこれらの間に配置される非磁性層とからなる積層構造を有する磁気抵抗効果素子において、互いに対向する2つの辺のうちの1つに窪んだ第1の曲面を有し、他の1つに膨らんだ第2の曲面を有し、前記第1及び第2の曲面の端部同士が互いに結合する平面形状を文字Cの形状と定義した場合に、前記第2強磁性層の平面形状は、逆方向を向き、磁化困難軸方向に前記第1及び第2の曲面を向けた2つの前記文字Cの形状の前記第2の曲面を、磁化容易軸方向にずらして背中合わせに互いに結合させた形状を有し、前記第1強磁性層をピン層、前記第2強磁性層をフリー層として備え、少なくとも前記磁化困難軸方向の磁場が零のときに前記第2強磁性層の磁化パターンが2つのC型磁区を維持するMagnetoresistive element according to the embodiment of the present invention, the magnetoresistance effect element having a laminated structure made of a non-magnetic layer and disposed between the first and second ferromagnetic layers, two opposing sides A first curved surface that is recessed in one of the two, a second curved surface that is swollen in the other, and a planar shape in which ends of the first and second curved surfaces are coupled to each other. When the shape of the letter C is defined, the planar shape of the second ferromagnetic layer is the two of the letters C having the opposite directions and the first and second curved surfaces facing the hard axis of magnetization. The second curved surface has a shape in which the second curved surface is shifted in the direction of the easy axis of magnetization and coupled back to back, the first ferromagnetic layer is a pinned layer, the second ferromagnetic layer is a free layer, and at least the magnetization When the magnetic field in the hard axis direction is zero, the magnetization pattern of the second ferromagnetic layer is 2 To maintain the C-shaped magnetic domains.

本発明の例に係わる磁気抵抗効果素子は、第1及び第2強磁性層とこれらの間に配置される非磁性層とからなる積層構造を有する磁気抵抗効果素子において、互いに対向する2つの辺のうちの1つに窪んだ第1の曲面を有し、他の1つに膨らんだ第2の曲面を有し、前記第1及び第2の曲面の端部同士が互いに結合する平面形状を文字Cの形状と定義した場合に、前記第2強磁性層の平面形状は、同じ方向を向き、磁化困難軸方向に前記第1及び第2の曲面を向けた2つの前記文字Cの形状を、磁化容易軸方向に隣り合わせに並べて互いに結合させた第1の形状と、前記第1の形状内の前記文字Cの形状に対して逆方向を向いた前記文字Cの形状からなる第2の形状との組み合わせから構成され、前記第1の形状内の前記文字Cの形状の前記第2の曲面と前記第2の形状内の前記文字Cの形状の前記第2の曲面とが互いに結合され、前記第1強磁性層をピン層、前記第2強磁性層をフリー層として備え、少なくとも前記磁化困難軸方向の磁場が零のときに前記第2強磁性層の磁化パターンが3つのC型磁区を維持するMagnetoresistive element according to the embodiment of the present invention, the magnetoresistance effect element having a laminated structure made of a non-magnetic layer and disposed between the first and second ferromagnetic layers, two opposing sides A first curved surface that is recessed in one of the two, a second curved surface that is swollen in the other, and a planar shape in which ends of the first and second curved surfaces are coupled to each other. When the shape of the letter C is defined, the plane shape of the second ferromagnetic layer is the same direction, and the two letter C shapes are oriented with the first and second curved surfaces in the hard axis direction. A second shape comprising a first shape that is arranged adjacent to each other in the direction of the easy axis of magnetization and coupled to each other, and a shape of the character C facing in the opposite direction to the shape of the character C in the first shape And the shape of the letter C in the first shape 2 curved surface and the second curved surface of the character C in the second shape are coupled to each other, the first ferromagnetic layer as a pinned layer, the second ferromagnetic layer as a free layer, At least when the magnetic field in the hard axis direction is zero, the magnetization pattern of the second ferromagnetic layer maintains three C-type magnetic domains .

本発明の例に係わる磁気抵抗効果素子は、第1及び第2強磁性層とこれらの間に配置される非磁性層とからなる積層構造を有する磁気抵抗効果素子において、互いに対向する2つの辺のうちの1つに窪んだ第1の曲面を有し、他の1つに膨らんだ第2の曲面を有し、前記第1及び第2の曲面の端部同士が互いに結合する平面形状を文字Cの形状と定義した場合に、前記第2強磁性層の平面形状は、同じ方向を向き、磁化困難軸方向に前記第1及び第2の曲面を向けた2つの前記文字Cの形状を、磁化容易軸方向に隣り合わせに並べて互いに結合させた第1の形状と、同じ方向を向き、前記磁化困難軸方向に前記第1及び第2の曲面を向けた2つの前記文字Cの形状を、磁化容易軸方向に隣り合わせに並べて互いに結合させた第2の形状との組み合わせから構成され、前記第1の形状内の前記文字Cの形状と前記第2の形状内の前記文字Cの形状は、逆方向を向き、前記第1の形状内の前記文字Cの形状の前記第2の曲面と前記第2の形状内の前記文字Cの形状の前記第2の曲面とが互いに結合され、前記第1強磁性層をピン層、前記第2強磁性層をフリー層として備え、少なくとも前記磁化困難軸方向の磁場が零のときに前記第2強磁性層の磁化パターンが4つのC型磁区を維持するMagnetoresistive element according to the embodiment of the present invention, the magnetoresistance effect element having a laminated structure made of a non-magnetic layer and disposed between the first and second ferromagnetic layers, two opposing sides A first curved surface that is recessed in one of the two, a second curved surface that is swollen in the other, and a planar shape in which ends of the first and second curved surfaces are coupled to each other. When the shape of the letter C is defined, the plane shape of the second ferromagnetic layer is the same direction, and the two letter C shapes are oriented with the first and second curved surfaces in the hard axis direction. A first shape that is aligned next to each other in the easy axis direction and joined together, and two letter C shapes that face the same direction and face the first and second curved surfaces in the hard axis direction, Pair with second shapes arranged side by side in the easy axis direction and coupled to each other The shape of the character C in the first shape and the shape of the character C in the second shape are opposite to each other, and the shape of the character C in the first shape The second curved surface and the second curved surface in the shape of the letter C in the second shape are coupled to each other, and the first ferromagnetic layer is a pinned layer and the second ferromagnetic layer is a free layer. And at least when the magnetic field in the hard axis direction is zero, the magnetization pattern of the second ferromagnetic layer maintains four C-type magnetic domains .

本発明の例によれば、微細化されても、安定な磁気構造を持ち、かつ、書き込み時には、半選択セルの誤書き込みを防止しつつ、スイッチング磁場を低減させることができる磁気抵抗効果素子を提供することができる。   According to an example of the present invention, there is provided a magnetoresistive effect element that has a stable magnetic structure even when miniaturized, and can reduce a switching magnetic field while preventing erroneous writing of a half-selected cell at the time of writing. Can be provided.

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。   Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

1. 概要
本発明の例は、残留磁化がC型磁区を構成し、かつ、スイッチング(磁化反転)時には、記憶層(フリー層)の磁化パターンがC型磁区からS型磁区に変わる、といういわゆるC−Sスイッチングを行うのに適した形状を有する磁気抵抗効果素子に関する。
1. Overview
An example of the present invention is a so-called C-S in which the residual magnetization constitutes a C-type magnetic domain, and the magnetization pattern of the storage layer (free layer) changes from a C-type magnetic domain to an S-type magnetic domain during switching (magnetization reversal). The present invention relates to a magnetoresistive effect element having a shape suitable for switching.

C−Sスイッチングでは、磁化反転を行わない非選択及び半選択の磁気抵抗効果素子の記憶層の磁化パターンは、磁化反転に大きなスイッチング磁場を必要とするC型磁区を構成し、一方、磁化反転を行う選択された磁気抵抗効果素子の記憶層の磁化パターンは、C型磁区から、磁化反転を小さなスイッチング磁場で行うことができるS型磁区に変わるため、書き込みディスターブを改善でき、誤書き込みの防止、選択性の向上を実現できる。   In CS switching, the magnetization pattern of the memory layer of the non-selected and half-selected magnetoresistive effect element that does not perform magnetization reversal constitutes a C-type magnetic domain that requires a large switching magnetic field for magnetization reversal, while magnetization reversal Since the magnetization pattern of the memory layer of the selected magnetoresistive effect element to be changed from a C-type magnetic domain to an S-type magnetic domain in which magnetization reversal can be performed with a small switching magnetic field, write disturb can be improved and erroneous writing can be prevented. Improved selectivity can be realized.

このようなC−Sスイッチングを行うためには、具体的には、磁気抵抗効果素子の磁化容易軸(easy axis)方向の磁場と磁化困難軸(hard axis)方向の磁場の合成磁場により磁化反転を行う場合、磁化困難軸方向の磁場が零又は小さい領域において、記憶層の磁化パターンが2つ以上のC型磁区を維持できる磁気抵抗効果素子の平面形状を提案すればよい。   In order to perform such C-S switching, specifically, magnetization reversal is performed by a combined magnetic field of a magnetic field in an easy axis direction and a hard axis direction of a magnetoresistive effect element. In this case, a planar shape of a magnetoresistive effect element that can maintain two or more C-type magnetic domains in the magnetization pattern of the storage layer in a region where the magnetic field in the hard axis direction is zero or small may be proposed.

そのような平面形状としては、2つ以上の文字Cを結合させた概形が考えられる。例えば、これら2つ以上の文字Cが同じ方向を向いている場合には、磁気抵抗効果素子の全体形状は、文字E、文字M、又は、複数の文字E若しくは複数の文字Mを結合させた形状に近似した概形(E型、M型、連続E型、及び、連続M型)となる。   As such a planar shape, a rough shape in which two or more characters C are combined can be considered. For example, when these two or more characters C are facing the same direction, the overall shape of the magnetoresistive element is the character E, the character M, or a plurality of characters E or a plurality of characters M combined. The approximate shape (E type, M type, continuous E type, and continuous M type) is obtained.

また、例えば、これら2つ以上の文字Cが異なる方向を向いている場合には、磁気抵抗効果素子の全体形状は、これら2つ以上の文字Cを背中合わせに結合させた概形、文字Z、又は、これらをさらに複数個結合させた形状に近似した概形(変形H型、飾り付きZ型、連続変形H型、及び、連続飾り付きZ型)となる。   Further, for example, when these two or more characters C are directed in different directions, the overall shape of the magnetoresistive effect element is an approximate shape obtained by combining these two or more characters C back to back, the characters Z, Or it becomes the approximate shape (deformation H type, Z type with a decoration, continuous deformation H type, and Z type with a continuous decoration) approximated to the shape which combined these two or more.

ここで、文字Hに関して、変形H型と称したのは、文字Hの2つの縦のラインが互いに逆向きに反り返った概形となるためである。また、文字Zに関して、飾り付きZ型と称したのは、平面形状が、詳細には、文字Zの中心部に凸部(飾り部)を有する概形となるためである。   Here, the character H is referred to as a modified H type because the two vertical lines of the character H are curved in opposite directions. In addition, the letter Z is referred to as “decorated Z type” because, in detail, the planar shape is a rough shape having a convex part (decoration part) at the center of the letter Z.

また、2つ以上の平行四辺形を交差させた平面形状も、2つ以上のC型磁区を構成することができるため、C−Sスイッチングを行うのに適した形状となる。しかも、この場合には、2つ以上の四角形でなく、2つ以上の平行四辺形を組み合わせているため、磁気抵抗効果素子の記憶層の先端部は、斜めに切り落とされたテーパ状となる。   In addition, a planar shape obtained by intersecting two or more parallelograms can also form two or more C-shaped magnetic domains, so that the shape is suitable for performing CS switching. In addition, in this case, since two or more parallelograms are combined instead of two or more quadrangles, the tip of the memory layer of the magnetoresistive effect element has a tapered shape that is cut off obliquely.

従って、非選択の磁気抵抗効果素子の記憶層の磁化パターンは、スイッチング時においても、効果的に2つ以上のC型磁区を維持できるため、誤書き込みの防止、選択性の向上を実現できる。   Therefore, since the magnetization pattern of the memory layer of the non-selected magnetoresistive effect element can effectively maintain two or more C-type magnetic domains even during switching, it is possible to prevent erroneous writing and improve selectivity.

このように、本発明の例に関わる磁気抵抗効果素子は、残留磁化、及び、磁化反転を行わない場合の磁化パターンが、それぞれ、2つ以上のC型磁区を構成するような平面形状を有している。従って、C−Sスイッチングにより、書き込みディスターブを改善でき、誤書き込みの防止、選択性の向上を実現できる。   As described above, the magnetoresistive effect element according to the example of the present invention has a planar shape in which the remanent magnetization and the magnetization pattern when the magnetization reversal is not performed constitute two or more C-type magnetic domains, respectively. is doing. Therefore, write disturb can be improved by CS switching, and erroneous writing can be prevented and selectivity can be improved.

尚、広い書き込みウインドウ、即ち、磁化反転を行う選択された磁気抵抗効果素子のスイッチング磁場の値と、磁化反転を行わない非選択の磁気抵抗効果素子のスイッチング磁場の値との差を大きくするために、磁気抵抗効果素子の記憶層及び基準層のうちの少なくとも1つを、異なる2種類の強磁性層(ソフト層及びハード層)から構成してもよい。   In order to increase the difference between the wide writing window, that is, the value of the switching magnetic field of the selected magnetoresistive effect element that performs magnetization reversal and the value of the switching magnetic field of an unselected magnetoresistive effect element that does not perform magnetization reversal. In addition, at least one of the storage layer and the reference layer of the magnetoresistive effect element may be formed of two different types of ferromagnetic layers (soft layer and hard layer).

また、磁気抵抗効果素子の記憶層及び基準層のうちの少なくとも1つを、異なる2種類の強磁性層(ソフト層及びハード層)と、これら異なる2種類の強磁性層の間に配置される非磁性層とから構成してもよい。   Further, at least one of the storage layer and the reference layer of the magnetoresistive effect element is disposed between two different types of ferromagnetic layers (soft layer and hard layer) and these two different types of ferromagnetic layers. You may comprise from a nonmagnetic layer.

この場合、異なる2種類の強磁性層を互いに強磁性結合又は反強磁性結合させることにより、単磁区モデルでは、磁化困難軸方向に長く伸びたアステロイド曲線を得ることができる。このため、かかる構造とC−Sスイッチングとを組み合わせることにより、広い書き込みウインドウを実現できる。   In this case, an asteroid curve extending long in the hard axis direction can be obtained in the single domain model by two different types of ferromagnetic layers being ferromagnetically or antiferromagnetically coupled to each other. For this reason, a wide writing window can be realized by combining such a structure with CS switching.

尚、ここで言う「異なる2種類」とは、「異なる磁気特性」を意味し、異なる磁気特性は、例えば、強磁性層の膜厚、成膜条件、材料、構造(ソフト層、ハード層)などにより実現できる。   The “two different types” mentioned here mean “different magnetic characteristics”, and different magnetic characteristics include, for example, the thickness of the ferromagnetic layer, film formation conditions, material, and structure (soft layer, hard layer). It can be realized by.

2. 実施の形態
以下、本発明の例を実施するに当たって最適と思われる複数の実施の形態について説明する。
2. Embodiment
Hereinafter, a plurality of embodiments that are considered to be optimal in carrying out the examples of the present invention will be described.

本発明の例の対象となる磁気メモリ素子は、磁気抵抗(Magneto Resistive)効果を有する磁気抵抗効果素子、例えば、トンネル磁気抵抗効果を有するMTJ(Magneto Tunnel Junction)素子である。そこで、まず、MTJ素子の基本構造について説明する。   A magnetic memory element that is an object of an example of the present invention is a magnetoresistive effect element having a magnetoresistive effect, for example, an MTJ (Magneto Tunnel Junction) element having a tunnel magnetoresistive effect. First, the basic structure of the MTJ element will be described.

MTJ素子の磁気トンネル接合は、図1に示すように、2つの強磁性層1a,1bと、これらの間に挟み込まれた薄い絶縁層2とから構成される。強磁性層のうちの一つは、反強磁性層3により磁化パターン(磁化の向き)が固定された基準層(ピン層)1aであり、他の一つは、データに応じて磁化パターン(磁化の向き)が変わる記憶層(フリー層)1bである。基準層1aと記憶層1bの間に配置された絶縁層2は、トンネルバリアと呼ばれる。   As shown in FIG. 1, the magnetic tunnel junction of the MTJ element is composed of two ferromagnetic layers 1a and 1b and a thin insulating layer 2 sandwiched between them. One of the ferromagnetic layers is a reference layer (pinned layer) 1a in which the magnetization pattern (magnetization direction) is fixed by the antiferromagnetic layer 3, and the other one is a magnetization pattern ( This is a storage layer (free layer) 1b whose magnetization direction is changed. The insulating layer 2 disposed between the reference layer 1a and the storage layer 1b is called a tunnel barrier.

通常、強磁性層1a,1bは、Ni、Fe、Co、これら金属の合金や、CoFeBのようなアモルファス磁性体などから構成される。また、強磁性層1a,1bとしては、LaMnOなどのMn酸化物、NiMnSbなどのホイスラー合金に代表されるハーフメタルなどを使用してもよい。 Usually, the ferromagnetic layers 1a and 1b are made of Ni, Fe, Co, an alloy of these metals, an amorphous magnetic material such as CoFeB, or the like. Further, as the ferromagnetic layers 1a and 1b, a Mn oxide such as LaMnO 3 or a half metal typified by a Heusler alloy such as NiMnSb may be used.

強磁性層1a,1bの各層は、スパッタ法やMBE法などにより形成され、その厚さは、0.1nm以上、50nm以下の範囲の値に設定される。   Each of the ferromagnetic layers 1a and 1b is formed by a sputtering method, an MBE method, or the like, and its thickness is set to a value in the range of 0.1 nm or more and 50 nm or less.

また、絶縁層2は、例えば、AlOx、MgOなどの酸化物、AlNなどの窒化物から構成される。また、絶縁層2に関しては、これに代えて、Si、Geなどの半導体を用いてもよい。   The insulating layer 2 is made of, for example, an oxide such as AlOx or MgO, or a nitride such as AlN. As for the insulating layer 2, a semiconductor such as Si or Ge may be used instead.

絶縁層2の厚さは、10nm以下に設定される。絶縁層2の厚さは、できるだけ薄いほうがよく、近年では、絶縁層2は、2nm以下、より好ましくは、1nm以下に設定される。   The thickness of the insulating layer 2 is set to 10 nm or less. The thickness of the insulating layer 2 is preferably as thin as possible. In recent years, the insulating layer 2 is set to 2 nm or less, more preferably 1 nm or less.

本発明の例は、上記概要の欄で説明したように、磁気抵抗効果素子の形状に関するものであるが、具体的には、磁気抵抗効果素子の記憶層(フリー層)の平面形状に関する。即ち、本発明の例では、少なくとも記憶層の平面形状が、2つ以上の文字Cを結合させた形状、2つの平行四辺形を交差させた形状などを有することが必要となる。   The example of the present invention relates to the shape of the magnetoresistive effect element as described in the section of the outline above, but specifically relates to the planar shape of the storage layer (free layer) of the magnetoresistive effect element. That is, in the example of the present invention, it is necessary that at least the planar shape of the memory layer has a shape in which two or more characters C are combined, a shape in which two parallelograms intersect, and the like.

従って、以下の複数の実施の形態では、磁気抵抗効果素子の記憶層のみを取り出して、その記憶層の平面形状について説明することにする。   Therefore, in the following plurality of embodiments, only the storage layer of the magnetoresistive effect element is taken out and the planar shape of the storage layer will be described.

尚、基準層及び記憶層を含めた磁気抵抗効果素子の全体としての平面形状は、記憶層の平面形状と同じであってもよいし、また、記憶層の平面形状と異なっていてもよい。   The planar shape of the magnetoresistive effect element as a whole including the reference layer and the storage layer may be the same as the planar shape of the storage layer, or may be different from the planar shape of the storage layer.

(1) 第1実施の形態
図2は、本発明の第1実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層の平面形状を示している。
(1) First embodiment
FIG. 2 shows the planar shape of the memory layer of the magnetoresistive effect element according to the first embodiment of the present invention.

本例では、磁気抵抗効果素子の記憶層は、2つの文字Cを結合させた平面形状を有する。具体的には、2つの文字Cは、同じ方向を向き、磁化困難軸方向に曲面を向け、磁化容易軸方向に隣り合わせに並んで配置される。2つの文字Cは、全体として、文字E、又は、文字Mに近似した平面形状を有する。   In this example, the memory layer of the magnetoresistive effect element has a planar shape in which two letters C are combined. Specifically, the two letters C face the same direction, have a curved surface in the hard axis direction, and are arranged side by side in the easy axis direction. The two characters C as a whole have a planar shape that approximates the character E or the character M.

この場合、磁気抵抗効果素子の記憶層の残留磁化及び磁化困難軸方向の磁場が零又は小さい領域における磁化パターンは、それぞれ2つのC型磁区から構成される。   In this case, the magnetization pattern in the region where the residual magnetization of the memory layer of the magnetoresistive effect element and the magnetic field in the hard axis direction are zero or small are each composed of two C-type magnetic domains.

図3は、図2の平面形状を有する磁気抵抗効果素子のスイッチング曲線を示している。また、図4は、単磁区モデルで得られるスイッチング曲線(アステロイド曲線)を示している。   FIG. 3 shows a switching curve of the magnetoresistive effect element having the planar shape of FIG. FIG. 4 shows a switching curve (asteroid curve) obtained by the single magnetic domain model.

図3と図4を比べると、図2の平面形状を有する磁気抵抗効果素子のスイッチング曲線は、磁化容易軸方向の磁場と磁化困難軸方向の磁場の双方が存在する領域において、単磁区モデルで得られるスイッチング曲線よりも窪んでいる。この窪みが大きいということは、スイッチング磁場(反転磁場)が小さいことを意味する。   3 and FIG. 4, the switching curve of the magnetoresistive effect element having the planar shape of FIG. 2 is a single domain model in a region where both a magnetic field in the easy axis direction and a magnetic field in the hard axis direction exist. It is recessed from the resulting switching curve. That this dent is large means that a switching magnetic field (reversal magnetic field) is small.

従って、図2の平面形状を有する磁気抵抗効果素子によれば、磁化困難軸方向の磁場が零又は小さい領域(非選択の場合)において、スイッチング磁場を大きくして誤書き込みを防止することができると共に、磁化容易軸方向の磁場と磁化困難軸方向の磁場の双方が存在する領域(選択の場合)において、スイッチング磁場を小さくして、書き込み電流の低下による低消費電流化を図ることができる。   Therefore, according to the magnetoresistive effect element having the planar shape of FIG. 2, erroneous writing can be prevented by increasing the switching magnetic field in a region where the magnetic field in the hard axis direction is zero or small (in the case of non-selection). At the same time, in a region where both a magnetic field in the easy axis direction and a magnetic field in the hard axis direction are present (in the case of selection), the switching magnetic field can be reduced to reduce the current consumption by reducing the write current.

尚、この窪みの大きさは、記憶層の厚さにも依存する。   Note that the size of the depression also depends on the thickness of the storage layer.

スイッチング曲線の窪み自体は、記憶層の厚さを50nm以下に設定することにより形成できる。但し、近年におけるメモリ素子の高集積化や低消費電流化を考慮すると、スイッチング曲線の窪みを考慮した記憶層の厚さは、2nm以上、20nm以下の範囲内の値、さらには、3nm以上、14nm以下の範囲内の値に設定することが好ましい。   The depression of the switching curve itself can be formed by setting the thickness of the memory layer to 50 nm or less. However, considering the recent high integration and low current consumption of memory elements, the thickness of the memory layer considering the depression of the switching curve is a value in the range of 2 nm or more and 20 nm or less, and further 3 nm or more, It is preferable to set the value within a range of 14 nm or less.

記憶層の平面形状の縦横比については、縦(磁化困難軸方向):横(磁化容易軸方向)が1:1から1:10までの範囲内の値となるように設定するのが好ましい。実際には、メモリ素子の高集積化などの観点から、1:2から1:4までの範囲内の値(本例では、概ね、1:2)に設定される。   The aspect ratio of the planar shape of the storage layer is preferably set so that longitudinal (hard magnetization axis direction): horizontal (easy magnetization axis direction) is a value within a range from 1: 1 to 1:10. Actually, the value is set to a value within a range from 1: 2 to 1: 4 (in this example, approximately 1: 2) from the viewpoint of high integration of memory elements.

(2) 第2実施の形態
図5は、本発明の第2実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層の平面形状を示している。
(2) Second embodiment
FIG. 5 shows the planar shape of the memory layer of the magnetoresistive effect element according to the second embodiment of the present invention.

本例では、第1実施の形態と同様に、磁気抵抗効果素子の記憶層は、2つの文字Cを結合させた平面形状を有する。但し、2つの文字Cは、第1実施の形態とは異なり、異なる方向を向いている。具体的には、2つの文字Cは、背中合わせに結合され、互いに逆方向を向いている。また、文字Cの曲面は、磁化困難軸方向を向き、磁化容易軸方向に少しずれた形となっている。2つの文字Cは、全体として、文字Zに近似した平面形状を有する。   In this example, as in the first embodiment, the memory layer of the magnetoresistive effect element has a planar shape in which two characters C are combined. However, unlike the first embodiment, the two characters C face different directions. Specifically, the two letters C are coupled back to back and are oriented in opposite directions. In addition, the curved surface of the letter C faces the hard magnetization axis direction and is slightly shifted in the easy magnetization axis direction. The two characters C as a whole have a planar shape that approximates the character Z.

この場合においても、磁気抵抗効果素子の記憶層の残留磁化及び磁化困難軸方向の磁場が零又は小さい領域における磁化パターンは、それぞれ2つのC型磁区から構成される。   Even in this case, the magnetization pattern in the region where the residual magnetization of the memory layer of the magnetoresistive effect element and the magnetic field in the hard axis direction are zero or small are each composed of two C-type magnetic domains.

図6は、図5の平面形状を有する磁気抵抗効果素子のスイッチング曲線を示している。   FIG. 6 shows a switching curve of the magnetoresistive effect element having the planar shape of FIG.

このスイッチング曲線は、図3のスイッチング曲線とほぼ同じとなる。即ち、磁化容易軸方向の磁場と磁化困難軸方向の磁場の双方が存在する領域において、図4に示す単磁区モデルで得られるスイッチング曲線よりも窪んでいる。   This switching curve is substantially the same as the switching curve of FIG. That is, in the region where both the magnetic field in the easy axis direction and the magnetic field in the hard axis direction are present, the region is recessed from the switching curve obtained by the single domain model shown in FIG.

従って、図5の平面形状を有する磁気抵抗効果素子によれば、磁化困難軸方向の磁場が零又は小さい領域(非選択の場合)において、スイッチング磁場を大きくして誤書き込みを防止することができると共に、磁化容易軸方向の磁場と磁化困難軸方向の磁場の双方が存在する領域(選択の場合)において、スイッチング磁場を小さくして、書き込み電流の低下による低消費電流化を図ることができる。   Therefore, according to the magnetoresistive effect element having the planar shape of FIG. 5, erroneous writing can be prevented by increasing the switching magnetic field in a region where the magnetic field in the hard axis direction is zero or small (in the case of non-selection). At the same time, in a region where both a magnetic field in the easy axis direction and a magnetic field in the hard axis direction are present (in the case of selection), the switching magnetic field can be reduced to reduce the current consumption by reducing the write current.

尚、スイッチング曲線の窪みの大きさが記憶層の厚さに依存することは、第1実施の形態と同じである。即ち、スイッチング曲線の窪み自体は、記憶層の厚さを50nm以下に設定することにより形成できるが、実際の記憶層の厚さは、2nm以上、20nm以下の範囲内の値、さらには、3nm以上、14nm以下の範囲内の値に設定される。   Note that the size of the depression of the switching curve depends on the thickness of the memory layer, as in the first embodiment. That is, the depression of the switching curve itself can be formed by setting the thickness of the memory layer to 50 nm or less, but the actual thickness of the memory layer is a value within the range of 2 nm or more and 20 nm or less, and further 3 nm As described above, the value is set within a range of 14 nm or less.

記憶層の平面形状の縦横比についても、第1実施の形態と同様に、縦(磁化困難軸方向):横(磁化容易軸方向)が1:1から1:10までの範囲内の値となるように設定される。実際には、1:2から1:4までの範囲内の値(本例では、概ね、1:2)に設定される。   As for the aspect ratio of the planar shape of the storage layer, as in the first embodiment, the longitudinal (hard magnetization axis direction): lateral (easy magnetization axis direction) is a value within the range from 1: 1 to 1:10. Is set to be Actually, it is set to a value within a range from 1: 2 to 1: 4 (in this example, approximately 1: 2).

(3) 第3実施の形態
図7は、本発明の第3実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層の平面形状を示している。
(3) Third embodiment
FIG. 7 shows the planar shape of the memory layer of the magnetoresistive effect element according to the third embodiment of the present invention.

本例でも、磁気抵抗効果素子の記憶層は、2つの文字Cを結合させた平面形状を有する。2つの文字Cは、異なる方向を向き、背中合わせに結合され、互いに逆方向を向いている。言い換えると、本例の記憶層は、2つの平行四辺形を交差させた形状を有する。   Also in this example, the memory layer of the magnetoresistive effect element has a planar shape in which two letters C are combined. The two letters C are oriented in different directions, are joined back to back, and are oriented in opposite directions. In other words, the memory layer of this example has a shape in which two parallelograms are crossed.

記憶層が2つの平行四辺形を交差させた形状を有するため、記憶層の先端部の形状は、四角ではなく、斜めに切り落とされたテーパ状となる。   Since the storage layer has a shape in which two parallelograms are crossed, the shape of the tip of the storage layer is not a square but a tapered shape that is cut off obliquely.

尚、記憶層の先端部(鋭角部)の角度は、20°以上、90°未満の範囲内の値に設定される。   Note that the angle of the front end portion (acute angle portion) of the memory layer is set to a value within the range of 20 ° or more and less than 90 °.

ここで、記憶層の先端部の角度とは、記憶層を加工する際に用いるマスクの対応部分における角度を意味する。実際に形成される記憶層に関しては、フォトリソグラフィの精度や、加工精度などに依存して、先端部は、鋭角ではなく、ある曲率をもって丸くなる。   Here, the angle of the tip of the storage layer means the angle at the corresponding portion of the mask used when processing the storage layer. Regarding the memory layer actually formed, the tip is rounded with a certain curvature, not an acute angle, depending on the accuracy of photolithography, processing accuracy, and the like.

実際に形成された記憶層の形状からこの角度を判断するには、例えば、記憶層の辺となる概ね直線部分をまっすぐ引き伸ばし、直線が交差する部分の交差角度を記憶層の先端部の角度とする。   In order to determine this angle from the shape of the actually formed storage layer, for example, the straight line portion that is the side of the storage layer is stretched straight, and the intersection angle of the portion where the straight line intersects is the angle of the tip of the storage layer. To do.

このような場合においても、磁気抵抗効果素子の記憶層の残留磁化及び磁化困難軸方向の磁場が零又は小さい領域における磁化パターンは、それぞれ2つのC型磁区から構成される。   Even in such a case, the magnetization pattern in the region where the remanent magnetization of the memory layer of the magnetoresistive effect element and the magnetic field in the hard axis direction are zero or small are each composed of two C-type magnetic domains.

本例では、磁気抵抗効果素子の記憶層の平面形状は、中心点に対して対称的となるが、例えば、図8及び図9に示すように、中心点に対して非対称となるような形状とし、2つのC型磁区を形成し易くしてもよい。   In this example, the planar shape of the memory layer of the magnetoresistive effect element is symmetric with respect to the center point. For example, as shown in FIGS. 8 and 9, the shape is asymmetric with respect to the center point. And two C-shaped magnetic domains may be easily formed.

また、図10に示すように、1つの平行四辺形と1つの四角形とを交差させたような概形としてもよい。図10の形状を実際にMTJ素子に適用すると、例えば、図11及び図12に示すような概形となる。   Moreover, as shown in FIG. 10, it is good also as a rough shape which crossed one parallelogram and one square. When the shape shown in FIG. 10 is actually applied to an MTJ element, for example, a rough shape as shown in FIGS. 11 and 12 is obtained.

尚、図7乃至図12の平面形状を有する磁気抵抗効果素子のスイッチング曲線についても、例えば、図6に示すような窪みを有する曲線となる。   Note that the switching curve of the magnetoresistive effect element having the planar shape of FIGS. 7 to 12 is also a curve having a depression as shown in FIG. 6, for example.

従って、図7乃至図12の平面形状を有する磁気抵抗効果素子においても、磁化困難軸方向の磁場が零又は小さい領域(非選択の場合)において、スイッチング磁場を大きくして誤書き込みを防止することができると共に、磁化容易軸方向の磁場と磁化困難軸方向の磁場の双方が存在する領域(選択の場合)において、スイッチング磁場を小さくして、書き込み電流の低下による低消費電流化を図ることができる。   Therefore, even in the magnetoresistive effect element having the planar shape of FIGS. 7 to 12, the switching magnetic field is increased to prevent erroneous writing in a region where the magnetic field in the hard axis direction is zero or small (in the case of non-selection). In addition, in a region where both a magnetic field in the easy axis direction and a magnetic field in the hard axis direction exist (in the case of selection), the switching magnetic field can be reduced to reduce the current consumption by reducing the write current. it can.

尚、記憶層の厚さと縦横比については、第1実施の形態と同じなので、ここでは、その説明については省略する。   Note that the thickness and aspect ratio of the storage layer are the same as those in the first embodiment, and therefore the description thereof is omitted here.

(4) 第4実施の形態
図13は、本発明の第4実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層の平面形状を示している。
(4) Fourth embodiment
FIG. 13 shows the planar shape of the memory layer of the magnetoresistive effect element according to the fourth embodiment of the present invention.

本例では、磁気抵抗効果素子の記憶層は、3つの文字Cを結合させた平面形状を有する。具体的には、3つの文字Cは、同じ方向を向き、磁化困難軸方向に曲面を向け、磁化容易軸方向に隣り合わせに並んで配置される。3つの文字Cは、全体として、複数の文字E、又は、複数の文字Mを結合させた形状に近似した平面形状を有する。   In this example, the memory layer of the magnetoresistive effect element has a planar shape in which three letters C are combined. Specifically, the three letters C are arranged side by side in the same direction, facing a curved surface in the hard axis direction, and in the easy axis direction. The three characters C as a whole have a planar shape that approximates a shape in which a plurality of characters E or a plurality of characters M are combined.

この場合、磁気抵抗効果素子の記憶層の残留磁化及び磁化困難軸方向の磁場が零又は小さい領域における磁化パターンは、それぞれ3つのC型磁区から構成される。   In this case, the magnetization pattern in the region where the remanent magnetization of the memory layer of the magnetoresistive effect element and the magnetic field in the hard axis direction are zero or small are each composed of three C-type magnetic domains.

尚、磁気抵抗効果素子の記憶層は、3つを超える数の文字Cを結合させた平面形状となるように形成してもよい。   The memory layer of the magnetoresistive element may be formed to have a planar shape in which more than three letters C are combined.

図14は、図13の平面形状を有する磁気抵抗効果素子のスイッチング曲線を示している。   FIG. 14 shows a switching curve of the magnetoresistive effect element having the planar shape of FIG.

図13の平面形状を有する磁気抵抗効果素子においても、磁化困難軸方向の磁場が零又は小さい領域(非選択の場合)において、スイッチング磁場を大きくして誤書き込みを防止することができると共に、磁化容易軸方向の磁場と磁化困難軸方向の磁場の双方が存在する領域(選択の場合)において、スイッチング磁場を小さくして、書き込み電流の低下による低消費電流化を図ることができる。   Also in the magnetoresistive effect element having the planar shape of FIG. 13, in a region where the magnetic field in the hard axis direction is zero or small (in the case of non-selection), the switching magnetic field can be increased to prevent erroneous writing and In a region where both a magnetic field in the easy axis direction and a magnetic field in the hard axis direction are present (in the case of selection), the switching magnetic field can be reduced to reduce the current consumption by reducing the write current.

尚、記憶層の厚さと縦横比については、第1実施の形態と同じなので、ここでは、その説明については省略する。   Note that the thickness and aspect ratio of the storage layer are the same as those in the first embodiment, and therefore the description thereof is omitted here.

(5) 第5実施の形態
図15は、本発明の第5実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層の平面形状を示している。
(5) Fifth embodiment
FIG. 15 shows the planar shape of the memory layer of the magnetoresistive effect element according to the fifth embodiment of the present invention.

本例では、磁気抵抗効果素子の記憶層は、3つの文字Cを結合させた平面形状を有する。具体的には、記憶層は、特定の1つの文字Cと、この特定の1つの文字Cに対して、同じ方向を向く文字Cと異なる方向を向く文字Cとを組み合わせた平面形状を有する。   In this example, the memory layer of the magnetoresistive effect element has a planar shape in which three letters C are combined. Specifically, the memory layer has a planar shape in which one specific character C and a character C facing the same direction and a character C facing a different direction with respect to the specific one character C are combined.

この場合、磁気抵抗効果素子の記憶層の残留磁化及び磁化困難軸方向の磁場が零又は小さい領域における磁化パターンは、それぞれ3つのC型磁区から構成される。   In this case, the magnetization pattern in the region where the remanent magnetization of the memory layer of the magnetoresistive effect element and the magnetic field in the hard axis direction are zero or small are each composed of three C-type magnetic domains.

図15の平面形状を有する磁気抵抗効果素子においても、磁化困難軸方向の磁場が零又は小さい領域(非選択の場合)において、スイッチング磁場を大きくして誤書き込みを防止することができると共に、磁化容易軸方向の磁場と磁化困難軸方向の磁場の双方が存在する領域(選択の場合)において、スイッチング磁場を小さくして、書き込み電流の低下による低消費電流化を図ることができる。   Also in the magnetoresistive effect element having the planar shape of FIG. 15, in the region where the magnetic field in the hard axis direction is zero or small (in the case of non-selection), the switching magnetic field can be increased to prevent erroneous writing and In a region where both a magnetic field in the easy axis direction and a magnetic field in the hard axis direction are present (in the case of selection), the switching magnetic field can be reduced to reduce the current consumption by reducing the write current.

尚、記憶層の厚さと縦横比については、第1実施の形態と同じなので、ここでは、その説明については省略する。   Note that the thickness and aspect ratio of the storage layer are the same as those in the first embodiment, and therefore the description thereof is omitted here.

(6) 第6実施の形態
図16は、本発明の第6実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層の平面形状を示している。
(6) Sixth embodiment
FIG. 16 shows the planar shape of the memory layer of the magnetoresistive effect element according to the sixth embodiment of the present invention.

本例では、磁気抵抗効果素子の記憶層は、4つの文字Cを結合させた平面形状を有する。具体的には、記憶層は、特定の1つの文字Cと、この特定の1つの文字Cに対して、同じ方向を向く文字Cと異なる方向を向く文字Cとを組み合わせた平面形状を有する。4つの文字Cは、全体として、文字Hに近似した形状を有する。   In this example, the memory layer of the magnetoresistive effect element has a planar shape in which four letters C are combined. Specifically, the memory layer has a planar shape in which one specific character C and a character C facing the same direction and a character C facing a different direction with respect to the specific one character C are combined. The four characters C have a shape that approximates the character H as a whole.

この場合、磁気抵抗効果素子の記憶層の残留磁化及び磁化困難軸方向の磁場が零又は小さい領域における磁化パターンは、それぞれ4つのC型磁区から構成される。   In this case, the magnetization pattern in the region where the residual magnetization of the memory layer of the magnetoresistive effect element and the magnetic field in the hard axis direction are zero or small are each composed of four C-type magnetic domains.

図16の平面形状を有する磁気抵抗効果素子においても、磁化困難軸方向の磁場が零又は小さい領域(非選択の場合)において、スイッチング磁場を大きくして誤書き込みを防止することができると共に、磁化容易軸方向の磁場と磁化困難軸方向の磁場の双方が存在する領域(選択の場合)において、スイッチング磁場を小さくして、書き込み電流の低下による低消費電流化を図ることができる。   Also in the magnetoresistive effect element having the planar shape of FIG. 16, in the region where the magnetic field in the hard axis direction is zero or small (in the case of non-selection), the switching magnetic field can be increased to prevent erroneous writing and In a region where both a magnetic field in the easy axis direction and a magnetic field in the hard axis direction are present (in the case of selection), the switching magnetic field can be reduced to reduce the current consumption by reducing the write current.

尚、記憶層の厚さと縦横比については、第1実施の形態と同じなので、ここでは、その説明については省略する。   Note that the thickness and aspect ratio of the storage layer are the same as those in the first embodiment, and therefore the description thereof is omitted here.

(7) 第7実施の形態
本実施の形態は、例えば、上述の第1乃至第6実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の強磁性層(記憶層、基準層)の構造に関する。
(7) Seventh embodiment
This embodiment relates to, for example, the structure of the ferromagnetic layer (memory layer, reference layer) of the magnetoresistive effect element according to the first to sixth embodiments described above.

例えば、磁気抵抗効果素子の記憶層となる強磁性層は、異なる2種類の磁性層、即ち、軟磁性層(ソフト層)と硬磁性層(ハード層)とから構成される。記憶層を、このような軟磁性層と硬磁性層の積層から構成すると、スイッチング曲線が磁化困難軸方向に大きく伸びる。この性質を本発明の例に適用することにより、例えば、図24に示すようなスイッチング曲線を得ることができる。   For example, the ferromagnetic layer serving as the memory layer of the magnetoresistive effect element includes two different types of magnetic layers, that is, a soft magnetic layer (soft layer) and a hard magnetic layer (hard layer). When the memory layer is composed of a stack of such a soft magnetic layer and a hard magnetic layer, the switching curve greatly extends in the hard axis direction. By applying this property to the example of the present invention, for example, a switching curve as shown in FIG. 24 can be obtained.

このようなスイッチング曲線では、いわゆる半選択状態のメモリ素子の磁化状態を安定化させることができ、誤書き込みを有効に防止できる。また、この場合、スイッチング曲線が磁化困難軸から十分に離れているため、ネール結合や基準層からの漏れ磁場などによるスイッチング曲線のシフトの影響が小さくなり、スイッチング曲線のばらつきに強くなる。   With such a switching curve, the magnetization state of the so-called half-selected memory element can be stabilized, and erroneous writing can be effectively prevented. Further, in this case, since the switching curve is sufficiently away from the hard axis, the influence of the shift of the switching curve due to the Neel coupling or the leakage magnetic field from the reference layer is reduced, and the switching curve is strongly affected.

図17及び図18は、第7実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層の平面形状の第1例を示している。   17 and 18 show a first example of the planar shape of the memory layer of the magnetoresistive effect element according to the seventh embodiment.

本例は、図2の磁気抵抗効果素子の記憶層を、軟磁性層(ソフト層)と硬磁性層(ハード層)とから構成した点に特徴を有する。   This example is characterized in that the memory layer of the magnetoresistive effect element in FIG. 2 is composed of a soft magnetic layer (soft layer) and a hard magnetic layer (hard layer).

軟磁性層と硬磁性層とは、強磁性結合又は反強磁性結合させる。軟磁性層における磁化と硬磁性層における磁化は、図17に示すように、同じ向きであってもよいし、また、図18に示すように、互いに逆向きであっていてもよい。   The soft magnetic layer and the hard magnetic layer are ferromagnetically coupled or antiferromagnetically coupled. The magnetization in the soft magnetic layer and the magnetization in the hard magnetic layer may be in the same direction as shown in FIG. 17, or may be in opposite directions as shown in FIG.

図19は、第7実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層の平面形状の第2例を示している。   FIG. 19 shows a second example of the planar shape of the memory layer of the magnetoresistive effect element according to the seventh embodiment.

本例は、1つの文字Cからなる平面形状を有するC型磁気抵抗効果素子の記憶層を、軟磁性層(ソフト層)と硬磁性層(ハード層)とから構成した点に特徴を有する。   This example is characterized in that the memory layer of a C-type magnetoresistive effect element having a planar shape consisting of one letter C is composed of a soft magnetic layer (soft layer) and a hard magnetic layer (hard layer).

軟磁性層と硬磁性層とは、強磁性結合又は反強磁性結合させる。   The soft magnetic layer and the hard magnetic layer are ferromagnetically coupled or antiferromagnetically coupled.

尚、本例の場合には、軟磁性層における磁化と硬磁性層における磁化は、同じ向きにすることもできるが、同図に示すように、互いに逆向きの状態にするのがよい。   In the case of this example, the magnetization in the soft magnetic layer and the magnetization in the hard magnetic layer can be in the same direction, but as shown in FIG.

図20は、第7実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層の平面形状の第3例を示している。   FIG. 20 shows a third example of the planar shape of the memory layer of the magnetoresistive effect element according to the seventh embodiment.

本例は、十字型磁気抵抗効果素子の記憶層を、軟磁性層(ソフト層)と硬磁性層(ハード層)とから構成した点に特徴を有する。   This example is characterized in that the memory layer of the cross-shaped magnetoresistive effect element is composed of a soft magnetic layer (soft layer) and a hard magnetic layer (hard layer).

軟磁性層と硬磁性層とは、強磁性結合又は反強磁性結合させる。   The soft magnetic layer and the hard magnetic layer are ferromagnetically coupled or antiferromagnetically coupled.

尚、本例の場合においても、軟磁性層における磁化と硬磁性層における磁化は、同じ向きにすることもできるが、同図に示すように、互いに逆向きの状態にするのがよい。   Also in the case of this example, the magnetization in the soft magnetic layer and the magnetization in the hard magnetic layer can be in the same direction, but as shown in FIG.

次に、軟磁性層と硬磁性層からなる強磁性層の具体的構造について説明する。   Next, a specific structure of the ferromagnetic layer composed of the soft magnetic layer and the hard magnetic layer will be described.

図21は、磁気抵抗効果素子の記憶層が軟磁性層/硬磁性層から構成される例である。   FIG. 21 shows an example in which the memory layer of the magnetoresistive effect element is composed of a soft magnetic layer / a hard magnetic layer.

軟磁性層(ソフト層)と硬磁性層(ハード層)の矢印は、磁化の向きのパターンを示しており、番号1〜4に示すように、4つのパターンが存在する。磁気抵抗効果素子の状態(0又は1)は、基準層の磁化の向きと軟磁性層の磁化の向きで決定される。   The arrows of the soft magnetic layer (soft layer) and the hard magnetic layer (hard layer) indicate the magnetization direction patterns, and there are four patterns as indicated by numbers 1 to 4. The state (0 or 1) of the magnetoresistive effect element is determined by the magnetization direction of the reference layer and the magnetization direction of the soft magnetic layer.

図22及び図23は、磁気抵抗効果素子の記憶層が軟磁性層/非磁性層/硬磁性層から構成される例である。   22 and 23 are examples in which the memory layer of the magnetoresistive effect element is composed of a soft magnetic layer / non-magnetic layer / hard magnetic layer.

番号1〜4は、軟磁性層(ソフト層)と硬磁性層(ハード層)の磁化の向きの4つのパターンを示している。   Numbers 1 to 4 indicate four patterns of magnetization directions of the soft magnetic layer (soft layer) and the hard magnetic layer (hard layer).

2つの強磁性層(軟磁性層と硬磁性層)の間に非磁性層を配置することで、これら強磁性層の間に層間結合と呼ばれる結合が発生する。層間結合は、非磁性層の厚さに依存して、2つの強磁性層の間に強磁性結合又は反強磁性結合を生じさせる。   By disposing a nonmagnetic layer between two ferromagnetic layers (soft magnetic layer and hard magnetic layer), a coupling called interlayer coupling occurs between these ferromagnetic layers. Interlayer coupling causes ferromagnetic coupling or antiferromagnetic coupling between two ferromagnetic layers, depending on the thickness of the nonmagnetic layer.

例えば、2つの強磁性層の間に反強磁性結合が生じている場合、スイッチング曲線は、図24に示すように、磁化困難軸方向に大きく伸びる。   For example, when antiferromagnetic coupling occurs between two ferromagnetic layers, the switching curve greatly extends in the hard axis direction as shown in FIG.

このようなスイッチング曲線では、いわゆる半選択状態のメモリ素子の磁化状態を安定化させることができ、誤書き込みを有効に防止できる。また、この場合、スイッチング曲線が磁化困難軸から十分に離れているため、ネール結合や基準層からの漏れ磁場などによるスイッチング曲線のシフトの影響が小さくなり、スイッチング曲線のばらつきに強くなる。   With such a switching curve, the magnetization state of the so-called half-selected memory element can be stabilized, and erroneous writing can be effectively prevented. Further, in this case, since the switching curve is sufficiently away from the hard axis, the influence of the shift of the switching curve due to the Neel coupling or the leakage magnetic field from the reference layer is reduced, and the switching curve is strongly affected.

尚、図22の例は、非磁性層が導電体の場合であり、図23の例は、非磁性層が絶縁体の場合である。   Note that the example of FIG. 22 is a case where the nonmagnetic layer is a conductor, and the example of FIG. 23 is a case where the nonmagnetic layer is an insulator.

非磁性層として導電体を用いる場合には、非磁性層は、例えば、Cu,Ag,Au,Ti,Ta,Ru,Re,Rhなどの非磁性金属を用いる。また、非磁性層として絶縁体を用いる場合には、非磁性層は、例えば、AlO、MgOなどの酸化物絶縁体、又は、AlNなどの窒化物を用いる。   When a conductor is used as the nonmagnetic layer, the nonmagnetic layer uses a nonmagnetic metal such as Cu, Ag, Au, Ti, Ta, Ru, Re, and Rh. When an insulator is used as the nonmagnetic layer, for example, an oxide insulator such as AlO or MgO or a nitride such as AlN is used for the nonmagnetic layer.

軟磁性層(ソフト層)と硬磁性層(ハード層)の矢印は、磁化の向きのパターンを示しており、4つのパターンが存在する。磁気抵抗効果素子の状態(0又は1)は、基準層の磁化の向きと軟磁性層の磁化の向きで決定される。   The arrows of the soft magnetic layer (soft layer) and the hard magnetic layer (hard layer) indicate the magnetization direction patterns, and there are four patterns. The state (0 or 1) of the magnetoresistive effect element is determined by the magnetization direction of the reference layer and the magnetization direction of the soft magnetic layer.

(8) その他
上述の第1乃至第7実施の形態に関わる形状は、強磁性層の加工時に使用するマスクの形状を工夫することにより容易に実現できる。
(8) Other
The shapes related to the first to seventh embodiments described above can be easily realized by devising the shape of the mask used when processing the ferromagnetic layer.

但し、MTJ素子が微細化されるに従い、マスクの形状とMTJ素子の形状とは完全に一致しなくなる。例えば、記憶層の加工は、フォトリソグラフィ及びエッチングにより、マスクの形状を記憶層に転写することにより行われるが、この時、鋭角部では、フォトリソグラフィ時のピントがぼけたり、エッチング時のエッチング量が多くなったりする。   However, as the MTJ element is miniaturized, the shape of the mask and the shape of the MTJ element do not completely match. For example, the processing of the memory layer is performed by transferring the shape of the mask to the memory layer by photolithography and etching. At this time, at the acute angle portion, the focus at the time of photolithography is blurred, or the etching amount at the time of etching There will be more.

従って、ここでは、MTJ素子の概形が上述の第1乃至第7実施の形態に示すような形状になっていればよく、角部が丸くなっているなどの微細な相違は、上述の第1乃至第7実施の形態に示すMTJ素子の概形のなかに含まれるものとする。   Accordingly, here, it is sufficient that the outline of the MTJ element has a shape as shown in the first to seventh embodiments described above. It is assumed to be included in the outline of the MTJ element shown in the first to seventh embodiments.

3. 応用例
本発明の例に関わる磁気抵抗効果素子は、磁気ランダムアクセスメモリのメモリセルに応用できる。
3. Application examples
The magnetoresistive effect element according to the example of the present invention can be applied to a memory cell of a magnetic random access memory.

本発明の例に関わる磁気抵抗効果素子は、スイッチング磁場を十分に小さくすることができるため、磁気ランダムアクセスメモリのメモリセルにおける記憶層に適用すると最大の効果を発揮することができる。   Since the magnetoresistive effect element according to the example of the present invention can sufficiently reduce a switching magnetic field, the maximum effect can be exhibited when applied to a storage layer in a memory cell of a magnetic random access memory.

以下、磁気ランダムアクセスメモリの例についていくつか説明する。   Hereinafter, some examples of the magnetic random access memory will be described.

図25は、クロスポイント型メモリセルアレイを示している。   FIG. 25 shows a cross-point type memory cell array.

読み出し/書き込みワード線WLと読み出し/書き込みビット線BLとは、互いに交差しており、その交差部に磁気抵抗効果素子Cが配置される。磁気抵抗効果素子Cは、読み出し/書き込みワード線WL及び読み出し/書き込みビット線BLに電気的に接続される。   The read / write word line WL and the read / write bit line BL intersect each other, and the magnetoresistive element C is disposed at the intersection. The magnetoresistive element C is electrically connected to the read / write word line WL and the read / write bit line BL.

磁気抵抗効果素子Cと読み出し/書き込みワード線WLとの間には、ダイオードDが配置される。ダイオードDは、クロスポイント型メモリセルアレイに特有の読み出し/書き込み時におけるいわゆる回り込み電流を防止する機能を有する。回り込み電流は、例えば、このダイオードDと、非選択の読み出し/書き込みワード線WL及び非選択の読み出し/書き込みビット線BLにバイアス電圧を与えることにより回避する。   A diode D is disposed between the magnetoresistive element C and the read / write word line WL. The diode D has a function of preventing a so-called sneak current at the time of reading / writing unique to the cross-point type memory cell array. The sneak current is avoided, for example, by applying a bias voltage to the diode D, the non-selected read / write word line WL, and the non-selected read / write bit line BL.

読み出し/書き込みワード線WLには、例えば、選択トランジスタSTwを経由してセンスアンプSAが接続される。読み出し/書き込みビット線BLには、例えば、選択トランジスタSTBを経由して電源が接続される。   For example, a sense amplifier SA is connected to the read / write word line WL via a selection transistor STw. For example, a power source is connected to the read / write bit line BL via a selection transistor STB.

図26は、はしご型メモリセルアレイを示している。   FIG. 26 shows a ladder type memory cell array.

書き込みビット線BLwと読み出しビット線BLrとの間には、はしご状に複数の磁気抵抗効果素子Cが配置される。書き込みビット線BLwと読み出しビット線BLrは、同一方向に延びている。   A plurality of magnetoresistive elements C are arranged in a ladder shape between the write bit line BLw and the read bit line BLr. The write bit line BLw and the read bit line BLr extend in the same direction.

磁気抵抗効果素子Cの直下には、書き込みワード線WLが配置される。書き込みワード線WLは、磁気抵抗効果素子Cから一定距離だけ離れて配置され、書き込みビット線BLwに交差する方向に延びる。   A write word line WL is arranged immediately below the magnetoresistive element C. The write word line WL is arranged away from the magnetoresistive element C by a certain distance and extends in a direction intersecting the write bit line BLw.

読み出しビット線BLrには、例えば、選択トランジスタSTを経由して抵抗素子Rが接続される。センスアンプSAは、抵抗素子Rの両端に発生する電圧を検出することにより読み出しデータをセンスする。書き込みビット線BLwの一端には、電源が接続され、他端には、例えば、選択トランジスタSTを経由して接地点が接続される。   For example, a resistance element R is connected to the read bit line BLr via a selection transistor ST. The sense amplifier SA senses read data by detecting the voltage generated across the resistance element R. A power supply is connected to one end of the write bit line BLw, and a ground point is connected to the other end via, for example, a selection transistor ST.

図27及び図28は、それぞれ1トランジスタ−1MTJ型メモリセルアレイを示している。   27 and 28 each show a one-transistor-1MTJ type memory cell array.

書き込みワード線WLと読み出し/書き込みビット線BLとは、互いに交差しており、その交差部に磁気抵抗効果素子Cが配置される。磁気抵抗効果素子Cは、読み出し/書き込みビット線BLに電気的に接続される。磁気抵抗効果素子Cの直下には、書き込みワード線WLが配置される。書き込みワード線WLは、磁気抵抗効果素子Cから一定距離だけ離れている。   The write word line WL and the read / write bit line BL intersect each other, and the magnetoresistive element C is disposed at the intersection. The magnetoresistive element C is electrically connected to the read / write bit line BL. A write word line WL is arranged immediately below the magnetoresistive element C. The write word line WL is separated from the magnetoresistive element C by a certain distance.

磁気抵抗効果素子Cの一端は、例えば、選択トランジスタST2を経由してセンスアンプSAに接続される。読み出し/書き込みビット線BLは、選択トランジスタST1を経由して電源に接続される。   One end of the magnetoresistive element C is connected to, for example, the sense amplifier SA via the selection transistor ST2. The read / write bit line BL is connected to the power supply via the selection transistor ST1.

尚、図28の構造では、磁気抵抗効果素子Cの一端は、引き出し線としての下部電極Lに接続される。このため、磁気抵抗効果素子Cの直下に選択トランジスタST2が配置されても、書き込みワード線WLを磁気抵抗効果素子Cの近傍に配置することができる。   In the structure of FIG. 28, one end of the magnetoresistive element C is connected to the lower electrode L as a lead line. For this reason, even if the selection transistor ST2 is disposed immediately below the magnetoresistive effect element C, the write word line WL can be disposed in the vicinity of the magnetoresistive effect element C.

以上、本発明の例に関わる磁気抵抗効果素子が適用される磁気ランダムアクセスメモリの代表例について説明したが、本発明の例は、これら代表例以外の磁気ランダムアクセスメモリにも適用できる。   As described above, the representative example of the magnetic random access memory to which the magnetoresistive effect element according to the example of the present invention is applied has been described. However, the example of the present invention can also be applied to a magnetic random access memory other than these representative examples.

尚、磁気抵抗効果素子の磁化容易軸方向は、書き込みワード線に平行であってもよいし、書き込みビット線に平行であってもよい。また、磁気抵抗効果素子の磁化容易軸方向は、2本の書き込み線(書き込みワード/ビット線)が延びる方向に対して45°の方向を向いていてもよい。   The easy axis of magnetization of the magnetoresistive effect element may be parallel to the write word line or may be parallel to the write bit line. Further, the easy axis direction of magnetization of the magnetoresistive effect element may be oriented at 45 ° with respect to the direction in which the two write lines (write word / bit line) extend.

4. その他
本発明の例によれば、磁化反転の対象となる選択状態では、スイッチング曲線の書き込みポイント(窪み部分)におけるスイッチング磁場が小さくなり、かつ、磁化反転の対象とならない半選択状態及び非選択状態では、磁化状態が安定した磁気抵抗効果素子を提供できる。
4). Other
According to the example of the present invention, in the selected state that is the target of magnetization reversal, the switching magnetic field at the writing point (recessed portion) of the switching curve is small, and in the semi-selected state and the non-selected state that is not the target of magnetization reversal. A magnetoresistive effect element having a stable magnetization state can be provided.

この磁気抵抗効果素子を磁気ランダムアクセスメモリのメモリセルとして用いた場合、磁化反転に必要なスイッチング磁場を生成するための書き込み電流を小さくでき、低消費電流を実現できる。このように、本発明の例によれば、消費電力が少なく、高集積化が可能で、かつ、スイッチング(磁化反転)が高速に行える磁気メモリを提供できる。   When this magnetoresistive effect element is used as a memory cell of a magnetic random access memory, a write current for generating a switching magnetic field necessary for magnetization reversal can be reduced, and a low current consumption can be realized. Thus, according to the example of the present invention, it is possible to provide a magnetic memory that consumes less power, can be highly integrated, and can perform switching (magnetization reversal) at high speed.

本発明の例は、上述の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、構成要素を変形して具体化できる。また、上述の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を構成できる。例えば、上述の形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよいし、異なる形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。   The examples of the present invention are not limited to the above-described embodiments, and can be embodied by modifying the components without departing from the scope of the invention. Various inventions can be configured by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the above-described embodiments. For example, some constituent elements may be deleted from all the constituent elements disclosed in the above embodiments, or constituent elements of different forms may be appropriately combined.

本発明の例に関わる磁気抵抗効果素子の断面構造を示す図。The figure which shows the cross-section of the magnetoresistive effect element in connection with the example of this invention. 第1実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層の平面形状を示す図。The figure which shows the planar shape of the memory | storage layer of the magnetoresistive effect element in connection with 1st Embodiment. 図2の磁気抵抗効果素子のスイッチング曲線を示す図。The figure which shows the switching curve of the magnetoresistive effect element of FIG. 単磁区モデルで得られるスイッチング曲線を示す図。The figure which shows the switching curve obtained by a single magnetic domain model. 第2実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層の平面形状を示す図。The figure which shows the planar shape of the memory | storage layer of the magnetoresistive effect element in connection with 2nd Embodiment. 図5の磁気抵抗効果素子のスイッチング曲線を示す図。The figure which shows the switching curve of the magnetoresistive effect element of FIG. 第3実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層の平面形状を示す図。The figure which shows the planar shape of the memory | storage layer of the magnetoresistive effect element in connection with 3rd Embodiment. 図7の磁気抵抗効果素子の変形例を示す図。The figure which shows the modification of the magnetoresistive effect element of FIG. 図7の磁気抵抗効果素子の変形例を示す図。The figure which shows the modification of the magnetoresistive effect element of FIG. 図7の磁気抵抗効果素子の変形例を示す図。The figure which shows the modification of the magnetoresistive effect element of FIG. 図7の磁気抵抗効果素子の変形例を示す図。The figure which shows the modification of the magnetoresistive effect element of FIG. 図7の磁気抵抗効果素子の変形例を示す図。The figure which shows the modification of the magnetoresistive effect element of FIG. 第4実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層の平面形状を示す図。The figure which shows the planar shape of the memory | storage layer of the magnetoresistive effect element in connection with 4th Embodiment. 図13の磁気抵抗効果素子のスイッチング曲線を示す図。The figure which shows the switching curve of the magnetoresistive effect element of FIG. 第5実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層の平面形状を示す図。The figure which shows the planar shape of the memory layer of the magnetoresistive effect element in connection with 5th Embodiment. 第6実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層の平面形状を示す図。The figure which shows the planar shape of the memory layer of the magnetoresistive effect element in connection with 6th Embodiment. 第7実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層の構造を示す図。The figure which shows the structure of the memory | storage layer of the magnetoresistive effect element in connection with 7th Embodiment. 第7実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層の構造を示す図。The figure which shows the structure of the memory | storage layer of the magnetoresistive effect element in connection with 7th Embodiment. 第7実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層の構造を示す図。The figure which shows the structure of the memory | storage layer of the magnetoresistive effect element in connection with 7th Embodiment. 第7実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層の構造を示す図。The figure which shows the structure of the memory | storage layer of the magnetoresistive effect element in connection with 7th Embodiment. 第7実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の断面構造を示す図。The figure which shows the cross-section of the magnetoresistive effect element in connection with 7th Embodiment. 第7実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の断面構造を示す図。The figure which shows the cross-section of the magnetoresistive effect element in connection with 7th Embodiment. 第7実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の断面構造を示す図。The figure which shows the cross-section of the magnetoresistive effect element in connection with 7th Embodiment. 第7実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子のスイッチング曲線を示す図。The figure which shows the switching curve of the magnetoresistive effect element in connection with 7th Embodiment. 磁気ランダムアクセスメモリの例を示す図。The figure which shows the example of a magnetic random access memory. 磁気ランダムアクセスメモリの例を示す図。The figure which shows the example of a magnetic random access memory. 磁気ランダムアクセスメモリの例を示す図。The figure which shows the example of a magnetic random access memory. 磁気ランダムアクセスメモリの例を示す図。The figure which shows the example of a magnetic random access memory.

符号の説明Explanation of symbols

1a: 強磁性層(基準層)、 1b: 強磁性層(記憶層)、 2: トンネルバリア、 3: 反強磁性層、 C: 磁気抵抗効果素子、 D: ダイオード、 R: 抵抗素子、 SA: センスアンプ、 STw,STB,ST,ST1,ST2: 選択トランジスタ、 BL: 読み出し/書き込みビット線、 WL: 書き込みワード線、 BLw: 書き込みビット線、 BLr: 読み出しビット線。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1a: Ferromagnetic layer (reference | standard layer), 1b: Ferromagnetic layer (memory layer), 2: Tunnel barrier, 3: Antiferromagnetic layer, C: Magnetoresistive element, D: Diode, R: Resistive element, SA: Sense amplifier, STw, STB, ST, ST1, ST2: Select transistor, BL: Read / write bit line, WL: Write word line, BLw: Write bit line, BLr: Read bit line.

Claims (8)

第1及び第2強磁性層とこれらの間に配置される非磁性層とからなる積層構造を有する磁気抵抗効果素子において、
互いに対向する2つの辺のうちの1つに窪んだ第1の曲面を有し、他の1つに膨らんだ第2の曲面を有し、前記第1及び第2の曲面の端部同士が互いに結合する平面形状を文字Cの形状と定義した場合に、前記第2強磁性層の平面形状は、同じ方向を向き、磁化困難軸方向に前記第1及び第2の曲面を向けた2つ以上の前記文字Cの形状を、磁化容易軸方向に隣り合わせに並べて互いに結合させた形状を有し、
前記第1強磁性層をピン層、前記第2強磁性層をフリー層として備え、
少なくとも前記磁化困難軸方向の磁場が零のときに前記第2強磁性層の磁化パターンが2つ以上のC型磁区を維持する
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
In the magnetoresistive effect element having a laminated structure including the first and second ferromagnetic layers and the nonmagnetic layer disposed therebetween,
The first curved surface has a first curved surface that is recessed in one of two sides facing each other, the second curved surface swells in the other, and the ends of the first and second curved surfaces are When the planar shape coupled to each other is defined as the shape of the letter C, the planar shape of the second ferromagnetic layer is the two oriented in the same direction and the first and second curved surfaces in the hard magnetization axis direction. the above said character C shape, are arranged next to each other in the direction of the easy magnetization axis have a shape conjugated with each other,
The first ferromagnetic layer is a pinned layer, and the second ferromagnetic layer is a free layer,
A magnetoresistive element, wherein the magnetization pattern of the second ferromagnetic layer maintains two or more C-type magnetic domains at least when the magnetic field in the hard axis direction is zero .
第1及び第2強磁性層とこれらの間に配置される非磁性層とからなる積層構造を有する磁気抵抗効果素子において、
互いに対向する2つの辺のうちの1つに窪んだ第1の曲面を有し、他の1つに膨らんだ第2の曲面を有し、前記第1及び第2の曲面の端部同士が互いに結合する平面形状を文字Cの形状と定義した場合に、前記第2強磁性層の平面形状は、逆方向を向き、磁化困難軸方向に前記第1及び第2の曲面を向けた2つの前記文字Cの形状の前記第2の曲面を、磁化容易軸方向にずらして背中合わせに互いに結合させた形状を有し、
前記第1強磁性層をピン層、前記第2強磁性層をフリー層として備え、
少なくとも前記磁化困難軸方向の磁場が零のときに前記第2強磁性層の磁化パターンが2つのC型磁区を維持する
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
In the magnetoresistive effect element having a laminated structure including the first and second ferromagnetic layers and the nonmagnetic layer disposed therebetween,
The first curved surface has a first curved surface that is recessed in one of two sides facing each other, the second curved surface swells in the other, and the ends of the first and second curved surfaces are When the planar shape coupled to each other is defined as the shape of the letter C, the planar shape of the second ferromagnetic layer is two opposite directions, the first and second curved surfaces facing the hard axis of magnetization. the second curved surface of the shape of the letter C, and shifting the easy axis direction have a shape conjugated to one another back to back,
The first ferromagnetic layer is a pinned layer, and the second ferromagnetic layer is a free layer,
A magnetoresistive effect element , wherein the magnetization pattern of the second ferromagnetic layer maintains two C-type magnetic domains at least when the magnetic field in the hard axis direction is zero .
第1及び第2強磁性層とこれらの間に配置される非磁性層とからなる積層構造を有する磁気抵抗効果素子において、
互いに対向する2つの辺のうちの1つに窪んだ第1の曲面を有し、他の1つに膨らんだ第2の曲面を有し、前記第1及び第2の曲面の端部同士が互いに結合する平面形状を文字Cの形状と定義した場合に、前記第2強磁性層の平面形状は、同じ方向を向き、磁化困難軸方向に前記第1及び第2の曲面を向けた2つの前記文字Cの形状を、磁化容易軸方向に隣り合わせに並べて互いに結合させた第1の形状と、前記第1の形状内の前記文字Cの形状に対して逆方向を向いた前記文字Cの形状からなる第2の形状との組み合わせから構成され、前記第1の形状内の前記文字Cの形状の前記第2の曲面と前記第2の形状内の前記文字Cの形状の前記第2の曲面とが互いに結合され、
前記第1強磁性層をピン層、前記第2強磁性層をフリー層として備え、
少なくとも前記磁化困難軸方向の磁場が零のときに前記第2強磁性層の磁化パターンが3つのC型磁区を維持する
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
In the magnetoresistive effect element having a laminated structure including the first and second ferromagnetic layers and the nonmagnetic layer disposed therebetween,
The first curved surface has a first curved surface that is recessed in one of two sides facing each other, the second curved surface swells in the other, and the ends of the first and second curved surfaces are When the planar shape coupled to each other is defined as the shape of the letter C, the planar shape of the second ferromagnetic layer is the same in two directions with the first and second curved surfaces facing the hard axis. A first shape in which the shapes of the characters C are arranged adjacent to each other in the easy axis direction and coupled to each other, and a shape of the characters C facing in the opposite direction to the shape of the characters C in the first shape It is composed of a combination of a second shape comprising a said second curved surface of the character C shape of the first of the character in the C of the second curved surface and the second shape of the shape of the shape Are combined with each other,
The first ferromagnetic layer is a pinned layer, and the second ferromagnetic layer is a free layer,
A magnetoresistive effect element , wherein the magnetization pattern of the second ferromagnetic layer maintains three C-type magnetic domains at least when the magnetic field in the hard axis direction is zero .
第1及び第2強磁性層とこれらの間に配置される非磁性層とからなる積層構造を有する磁気抵抗効果素子において、
互いに対向する2つの辺のうちの1つに窪んだ第1の曲面を有し、他の1つに膨らんだ第2の曲面を有し、前記第1及び第2の曲面の端部同士が互いに結合する平面形状を文字Cの形状と定義した場合に、前記第2強磁性層の平面形状は、同じ方向を向き、磁化困難軸方向に前記第1及び第2の曲面を向けた2つの前記文字Cの形状を、磁化容易軸方向に隣り合わせに並べて互いに結合させた第1の形状と、同じ方向を向き、前記磁化困難軸方向に前記第1及び第2の曲面を向けた2つの前記文字Cの形状を、磁化容易軸方向に隣り合わせに並べて互いに結合させた第2の形状との組み合わせから構成され、前記第1の形状内の前記文字Cの形状と前記第2の形状内の前記文字Cの形状は、逆方向を向き、前記第1の形状内の前記文字Cの形状の前記第2の曲面と前記第2の形状内の前記文字Cの形状の前記第2の曲面とが互いに結合され、
前記第1強磁性層をピン層、前記第2強磁性層をフリー層として備え、
少なくとも前記磁化困難軸方向の磁場が零のときに前記第2強磁性層の磁化パターンが4つのC型磁区を維持する
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
In the magnetoresistive effect element having a laminated structure including the first and second ferromagnetic layers and the nonmagnetic layer disposed therebetween,
The first curved surface has a first curved surface that is recessed in one of two sides facing each other, the second curved surface swells in the other, and the ends of the first and second curved surfaces are When the planar shape coupled to each other is defined as the shape of the letter C, the planar shape of the second ferromagnetic layer is the same in two directions with the first and second curved surfaces facing the hard axis. The first shape in which the shape of the letter C is aligned next to each other in the easy axis direction and joined together is the same as the first shape, and the first and second curved surfaces are directed in the hard axis direction. The shape of the letter C is composed of a combination of a second shape that is arranged adjacent to each other in the direction of the easy axis of magnetization and coupled together, and the shape of the letter C in the first shape and the shape in the second shape the shape of letter C, the reverse orientation, the form of the letter C of the first in shape It said second curved surface of the character C shape of the second curved surface and the second in shape is coupled to each other,
The first ferromagnetic layer is a pinned layer, and the second ferromagnetic layer is a free layer,
A magnetoresistive effect element , wherein the magnetization pattern of the second ferromagnetic layer maintains four C-type magnetic domains at least when the magnetic field in the hard axis direction is zero .
前記第1及び第2強磁性層のうちの少なくとも1つは、2つの磁性層を備え、かつ、これらの2つの磁性層は、互いに強磁性結合又は反強磁性結合していることを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子。 At least one of the first and second ferromagnetic layers includes two magnetic layers, and the two magnetic layers are ferromagnetically coupled or antiferromagnetically coupled to each other. The magnetoresistive effect element according to any one of claims 1 to 4 . 前記第1及び第2強磁性層のうちの少なくとも1つは、2つの磁性層と、これら2つの磁性層の間の非磁性層とを備え、かつ、これらの2つの磁性層は、互いに強磁性結合又は反強磁性結合していることを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子。 At least one of the first and second ferromagnetic layers includes two magnetic layers and a nonmagnetic layer between the two magnetic layers, and the two magnetic layers are strong against each other. the element according to any one of claims 1 to 4, characterized in that it is a magnetic coupling or antiferromagnetic coupling. 前記第1及び第2強磁性層の厚さは、0.1nm以上、50nm以下の範囲の値に設定されることを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子。 The thickness of the first and second ferromagnetic layers, 0.1 nm or more, the magnetoresistance effect according to any one of claims 1 to 6, characterized in that it is set to the value of the range 50nm element. 請求項1乃至のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子をメモリセルとして用いたことを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。 Magnetic random access memory characterized by using a magnetoresistance effect element according as a memory cell in any one of claims 1 to 7.
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