JP4605208B2 - Magnetoresistive element and magnetic memory device - Google Patents

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Description

本発明は、スピン分極注入によりデータの書き込みが可能な磁気メモリー装置及び当該磁気メモリー装置に適用される磁気抵抗効果素子に関するものである。   The present invention relates to a magnetic memory device capable of writing data by spin polarization injection and a magnetoresistive effect element applied to the magnetic memory device.

コンピュータや通信機器の急増に伴い、動作速度が速く、小型で、しかも読み取り及び書き込み回数に制約のない不揮発性メモリー素子の開発が進められており、多種多様なランダム・アクセス・メモリー(RAM)が提案されている。   With the rapid increase in computers and communication devices, non-volatile memory devices that are faster in operation, smaller in size, and have no restrictions on the number of reads and writes are being developed. A wide variety of random access memories (RAM) are being developed. Proposed.

例えば、その一つとして、磁気効果を基にしたRAMがあり、スピン・バルブ(又は巨大磁気抵抗効果:GMR)を利用したもの(スピン・バルブRAM)、スピン依存型トンネル効果(SDT)を利用したもの(SDT−RAM)等が知られている。   For example, one of them is a RAM based on a magnetic effect, which uses a spin valve (or giant magnetoresistive effect: GMR) (spin valve RAM), and uses a spin-dependent tunnel effect (SDT). (SDT-RAM) and the like are known.

これらの磁気効果を基にしたRAM(磁性RAMメモリ)は、全て記憶層内の磁化状態を変えるために電流の周りの空間に発生する磁場を利用しており、半導体メモリーや強誘電体メモリー等と比較したときに、デバイス構造やその組立が容易であること、書き込み動作の結果として材料の品位の劣化が生ずることがなく完全な非破壊書き込み読み出しサイクルが実現可能であること、等の利点を有する。   RAMs (magnetic RAM memories) based on these magnetic effects all use a magnetic field generated in the space around the current in order to change the magnetization state in the storage layer, such as semiconductor memories and ferroelectric memories. Compared to the above, there are advantages such as that the device structure and its assembly are easy, and that a complete nondestructive writing / reading cycle can be realized without deterioration of material quality as a result of the writing operation. Have.

このように数々の利点を有する磁性RAMメモリであるが、問題がないわけではない。   Although the magnetic RAM memory has many advantages as described above, it is not without problems.

例えば、スピン・バルブRAMでは、個々の記憶セルは別々のワード(書き込み)及び検出電流ラインと接続する必要があり、例えば各ラインがセルを直列に接続する場合、4箇所以上でのワイヤ接続が必要である。   For example, in spin valve RAM, each memory cell must be connected to a separate word (write) and sense current line, for example, if each line connects cells in series, wire connections at four or more locations are required. is necessary.

また、スピン・バルブRAMでは、隣り合うセル同士は書き込みパルス電流の影響を受ける。セルの密度が高い場合、所定の書き込みセルに対してパルス電流を流すと、これにより発生する磁場中に隣接するセルが重なり、書き込み磁場の大きさの1/2程度にまで近づいたセルの磁気状態に影響を与える。   In the spin valve RAM, adjacent cells are affected by the write pulse current. When the cell density is high, if a pulse current is passed to a given write cell, the adjacent cell overlaps the magnetic field generated by this, and the magnetic field of the cell approaching about half the magnitude of the write magnetic field. Affects the condition.

スピン・バルブRAMの自由層を構成する強磁性材料は、書き込み動作時にこれに打ち勝つことができるような強さの保磁力を有していなければならず、このことを考慮すると、セルの寸法(したがって記録密度)の限界値は書き込み電流の大きさによって概ね決まる。書き込み電流はその大きさに直線的に依存する磁場を作り、前記強磁性材料の保磁力の最低限界を10エルステッド、金属中の電流密度の上限値を10A/cmと仮定すると、単位平方インチ当たり大略10セル程度が最大記録密度となる。この上限値はスピン・バルブRAMに対する本質的な限定ではなく、むしろ比較の基礎として見積もったものである。 The ferromagnetic material that makes up the free layer of the spin valve RAM must have a coercivity that is strong enough to overcome this during a write operation, and taking this into account, the cell dimensions ( Therefore, the limit value of the recording density is largely determined by the magnitude of the write current. The write current creates a magnetic field that linearly depends on its magnitude, assuming that the minimum limit of coercivity of the ferromagnetic material is 10 Oersted and the upper limit of the current density in the metal is 10 8 A / cm 2. The maximum recording density is about 10 9 cells per square inch. This upper limit is not an essential limitation on the spin valve RAM, but rather is estimated as a basis for comparison.

一方、SDT−RAMでは、強磁性層を分離する絶縁層はピンホール欠陥の無い状態になっていなければならない。こうした高品位の絶縁性スペーサ層の形成は実験室レベルでも非常に困難であり、デバイスの量産を考えたときに大きな問題が生ずるであろうことは想像に難くない。   On the other hand, in the SDT-RAM, the insulating layer separating the ferromagnetic layers must be free from pinhole defects. Formation of such a high-quality insulating spacer layer is very difficult even at the laboratory level, and it is not difficult to imagine that a large problem will arise when considering mass production of devices.

また、スピン・バルブRAMと同様、磁化状態の切り替えには接触した励磁線(磁場発生用導線)が要求されるが、デバイスの抵抗が高いため、読み出し用配線を流れる電流による磁場で書き込み、すなわちスピンのスイッチングは不可能である。SDT−RAMの高い抵抗は、高い読み出し電圧レベルに関しては有利であるが、信号対雑音比が悪くパワーの損失も大きい。   In addition, as with the spin valve RAM, switching of the magnetization state requires a contact excitation line (magnetic field generating conductor), but since the device has a high resistance, writing is performed with a magnetic field generated by the current flowing through the readout wiring, that is, Spin switching is not possible. The high resistance of SDT-RAM is advantageous for high read voltage levels, but has a poor signal-to-noise ratio and high power loss.

本発明は、これら従来の磁性RAMメモリの有する欠点を解消し、記憶密度を大幅に高めることが可能で、読み取り時間の短縮や消費電力の削減が可能な新規なメモリー装置を提供することを目的とする。   It is an object of the present invention to provide a novel memory device that can eliminate the drawbacks of these conventional magnetic RAM memories, greatly increase the storage density, and shorten the reading time and power consumption. And

上述の目的を達成するために、本発明の磁気抵抗効果素子は、化の向きが固定される第1の強磁性層と、スペーサ層と、磁化の向きによりメモリー状態が切り換えられる第2の強磁性層とが順次積層されてなる強磁性層を備え、該強磁性層の膜面に垂直方向に電流が流れるように設計された磁気抵抗効果素子であって、磁気抵抗効果素子はスピン偏極した電子の注入によってメモリー状態が切り換えられ、磁気抵抗効果素子の面内寸法は0.5nm〜5μmの範囲であり、常磁性金属層が上記第2の強磁性層上に積層形成されているとともに、反強磁性金属材料からなる磁化固定化層が、上記第1の強磁性層の上記スペーサ層が積層されている面とは反対の面に接して形成されていることを特徴とする。 To achieve the above object, a magnetoresistive effect element of the present invention, first the orientation of the magnetization is fixed ferromagnetic layer, a spacer layer, the magnetization direction memory state second to be switched comprising a ferromagnetic layer and the ferromagnetic layer are sequentially laminated, a magnetoresistance effect element which is designed so that a current flows in the direction perpendicular to the film surface of the ferromagnetic layer, the magnetoresistive element, memory state is switched by the electronic injection of spin-polarized, the plane dimension of the magnetoresistive element, ranges der of 0.5 nm 2 5 .mu.m 2 is, paramagnetic metal layer and the second ferromagnetic layer A magnetization pinned layer made of an antiferromagnetic metal material is formed in contact with a surface opposite to the surface of the first ferromagnetic layer on which the spacer layer is stacked. and said that you are.

また、上述の目的を達成するために、本発明の磁気メモリー装置は、化の向きが固定される第1の強磁性層と、スペーサ層と、磁化の向きによりメモリー状態が切り換えられる第2の強磁性層とが順次積層されてなる強磁性層を備えた磁気抵抗効果素子であって該強磁性層の膜面に垂直方向に電流が流れるように設計された磁気抵抗効果素子が配列されてなる磁気メモリー装置であって、上記記磁気抵抗効果素子はスピン偏極した電子の注入によってメモリー状態が切り換えられ、磁気抵抗効果素子の面内寸法は、0.5nm〜5μmの範囲であり、常磁性金属層が上記第2の強磁性層上に積層形成されているとともに、反強磁性金属材料からなる磁化固定化層が、上記第1の強磁性層の上記スペーサ層が積層されている面とは反対の面に接して形成されていることを特徴とする。 Further, in order to achieve the object described above, a magnetic memory device of the present invention includes a first ferromagnetic layer the direction of magnetization is fixed, a spacer layer and the second the memory state is switched by the direction of magnetization ferromagnetic layer and sequentially laminated magnetoresistive element current in the vertical direction is designed to flow in a magnetoresistive element film surface of the ferromagnetic layer having a ferromagnetic layer formed are arranged in a magnetic memory device comprising Te, the Symbol magnetoresistive element, memory state is switched by injecting electrons spin-polarized in-plane dimensions of the magnetoresistive element, of 0.5 nm 2 5 .mu.m 2 range der is, together with the paramagnetic metal layer are laminated on the second ferromagnetic layer, the magnetization fixed layer of an antiferromagnetic metal material, the spacer layer of the first ferromagnetic layer What is the surface where Characterized in that it is formed in contact with the surface of the pair.

本発明のメモリー装置は、磁気メモリーセル内に情報を記憶する新技術としてスピン分極電子流の伝搬理論を適用したものである。   The memory device of the present invention is based on the propagation theory of spin-polarized electron current as a new technology for storing information in a magnetic memory cell.

本発明のメモリー装置は、メソスコピック多層金属デバイスのアレイで組立可能であり、個々のセル内のメモリー状態は強磁性膜スイッチング層(第2の強磁性層)の面内における磁化の2つの安定した配向の1つに対応している。   The memory device of the present invention can be assembled with an array of mesoscopic multilayer metal devices, where the memory state in each cell is two stable magnetizations in the plane of the ferromagnetic film switching layer (second ferromagnetic layer). Corresponds to one of the orientations.

これらの状態は記憶セル内にスピン偏極した電子流を注入することによりスイッチング可能である。   These states can be switched by injecting a spin-polarized electron stream into the memory cell.

また、スイッチング閾値以下の振幅のパルス電流を用い、セル磁気抵抗を監視することにより、2進数情報が読み取られる。   Also, binary information is read by monitoring the cell magnetoresistance using a pulse current having an amplitude less than or equal to the switching threshold.

ディスクを基にした記憶システムで使用される磁気記録媒体では、情報密度が50ギガ・ビット/平方インチに近いものが採用され、結果的に平均平面ビット寸法は100nm程度の値になるものと予想されるが、本発明においては、これと比較して遜色無い情報密度をチップを基にした磁気記憶構造で達成することが可能である。   Magnetic recording media used in disk-based storage systems employ information densities close to 50 gigabits per square inch, and are expected to result in average plane bit dimensions on the order of 100 nm. However, in the present invention, it is possible to achieve an information density comparable to this with a chip-based magnetic storage structure.

薄膜蒸着技術では、いわゆるサブ・ミクロン単位のパターンと原子レベルの寸法に及ぶ厚さを備えたセル構造の作成が可能であるが、これらの寸法範囲での磁化の制御では、磁気についての古典的表現と量子力学的表現の両者を橋渡しする現象に関する考察が必要となる。   Thin film deposition technology allows the creation of cell structures with so-called sub-micron patterns and thicknesses that span atomic dimensions, but the control of magnetization in these dimensional ranges is a classic for magnetism. It is necessary to consider the phenomenon that bridges both expression and quantum mechanical expression.

この橋渡しについては、磁気多層膜の電流による励起の機構についての理論的説明に見出すことができる。   This bridging can be found in the theoretical explanation of the mechanism of excitation by current in the magnetic multilayer film.

この理論的説明では常磁性層で分離された強磁性薄膜の膜面に対して垂直に流れる電子の流れがスピン分極され、個々の強磁性層にスピン角運動量を伝えることが予測される。これにより電子の流れは強磁性層内の巨視的磁化の方向変更を誘起する。   In this theoretical explanation, it is predicted that the flow of electrons flowing perpendicularly to the film surface of the ferromagnetic thin film separated by the paramagnetic layer is spin-polarized, and the spin angular momentum is transmitted to each ferromagnetic layer. Thereby, the flow of electrons induces a change in the direction of macroscopic magnetization in the ferromagnetic layer.

この機構はスピン変換と名付けられ、遍歴電子で運ばれるスピン電流と併せて強磁性体内の局在化された電子状態のモーメントの相互作用から生じる層間トルクの考察から得られるものである。   This mechanism is termed spin conversion and is derived from the consideration of interlayer torque resulting from the interaction of moments of localized electronic states in ferromagnets in conjunction with spin currents carried by itinerant electrons.

本発明によれば、従来の磁性RAMメモリの有する欠点を解消することができ、記憶密度を大幅に高め、且つ読み取り時間の短縮や消費電力の削減が可能な新規なメモリー装置を提供することが可能である。   According to the present invention, it is possible to provide a novel memory device that can eliminate the disadvantages of the conventional magnetic RAM memory, can greatly increase the storage density, and can shorten the reading time and power consumption. Is possible.

また、本発明によれば、半導体メモリーやSDT−RAM等に比べて遥かに製造が容易なメモリー装置を提供することができる。   Furthermore, according to the present invention, it is possible to provide a memory device that is much easier to manufacture than a semiconductor memory, an SDT-RAM, or the like.

以下、本発明を適用したメモリー装置の構成について、図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, the configuration of a memory device to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.

本発明のメモリー装置は、図1に示すように、メモリー状態がスピン偏極した電子流の注入によって書き換えられる形式のメモリーセル1がマトリクス状に配列(例えばN列N行の配列:N×N配列)されてなるものであり、これにより集積回路を構成してなるものである。   In the memory device of the present invention, as shown in FIG. 1, memory cells 1 having a format in which a memory state is rewritten by injection of an electron current whose spin state is spin-polarized are arranged in a matrix (for example, an array of N columns N rows: N × N Arrayed), thereby forming an integrated circuit.

各メモリーセル1は、例えば図2に示すように、第1の強磁性層である固定層11と第2の強磁性層である自由層12によりスペーサ層13を挟み込んでなる基本構造を有し、これの上下に常磁性金属層14,15が電極として積層形成されている。   For example, as shown in FIG. 2, each memory cell 1 has a basic structure in which a spacer layer 13 is sandwiched between a fixed layer 11 that is a first ferromagnetic layer and a free layer 12 that is a second ferromagnetic layer. Above and below, paramagnetic metal layers 14 and 15 are laminated as electrodes.

上記固定層11は、磁化の向きが所定の方向に固定されており、一方、上記自由層12は、スピン分極化電子流により磁化の向きが回転する。そして、この自由層12の磁化の向きを切り換えることで2つのメモリー状態が達成され、これを1,0の信号として読み出すことができる。   The magnetization direction of the fixed layer 11 is fixed in a predetermined direction, while the magnetization direction of the free layer 12 is rotated by a spin-polarized electron flow. Then, by switching the direction of magnetization of the free layer 12, two memory states are achieved, which can be read out as a 1, 0 signal.

上記メモリーセルのアドレス方式としては、2種類考えられるが、最も単純な方式として、図3に示すように1個のメモリーセル1に対して1本の専用書き込み線2を用いる方式が挙げられる。   There are two types of memory cell addressing schemes. The simplest scheme is a scheme using one dedicated write line 2 for one memory cell 1 as shown in FIG.

あるいは、図4に示すように、2次元格子状配線3,4の交点にメモリーセル1を置き、縦、横の配線3,4への信号の組み合わせでアドレスする、いわゆるxyアドレス方式を採用することも可能である。   Alternatively, as shown in FIG. 4, a so-called xy addressing system is adopted in which the memory cells 1 are placed at the intersections of the two-dimensional grid-like wirings 3 and 4 and addressed by a combination of signals to the vertical and horizontal wirings 3 and 4. It is also possible.

上記メモリーセル1を構成する各層の材質であるが、先ず、スペーサ層13や常磁性金属層14,15については、必ずしも材質は同じでなくともよい。例えば、スペーサ層13には電子の偏極に有利なものを、常磁性金属層14,15には電極を蒸着やスパッタ法等により容易に作製できる金属を選べばよい。   The material of each layer constituting the memory cell 1 is described above. First, the material of the spacer layer 13 and the paramagnetic metal layers 14 and 15 are not necessarily the same. For example, the spacer layer 13 may be selected from metals that are advantageous for electron polarization, and the paramagnetic metal layers 14 and 15 may be selected from metals that can be easily formed by vapor deposition or sputtering.

具体的には、スペーサ層13には、Ag、Au等の反強磁性でない3d金属、4d金属が使用可能である。スペーサ層13は、電子を偏極させるのに適していなければならない。これは常磁性体のフェルミ・ベクトルを強磁性層の少数スピン・バンドまたは多数スピン・バンドに緊密に一致させることで達成される。3d遷移金属の合金で構成された強磁性層に対しては、多数スピン・バンドがAgのバンドにほぼ一致する。3d及び4d列常磁性体の他は、Auがパーマロイとのスピン・ダイオードの作成における分極化層材料として効果的であることが示されている。   Specifically, the spacer layer 13 can be made of non-antiferromagnetic 3d metal or 4d metal such as Ag or Au. The spacer layer 13 must be suitable for polarizing electrons. This is achieved by closely matching the paramagnetic Fermi vector to the minority or majority spin band of the ferromagnetic layer. For a ferromagnetic layer composed of an alloy of 3d transition metals, the majority spin band substantially matches the Ag band. In addition to 3d and 4d column paramagnetic materials, Au has been shown to be effective as a polarization layer material in making spin diodes with permalloy.

また、Li、Na、Mg、K、Ca等、s電子の伝導がある比較的軽い金属も使用可能である。特に、3d多数スピンバンドとの整合のためには、Li、Ca、Nbが適当である。さらには、Cr、Mn等の反強磁性金属を用いることも可能であり、強磁性層(固定層11、自由層12)にCoを用いた場合には、格子整合の観点からRuも好適である。   Also, relatively light metals such as Li, Na, Mg, K, and Ca that have s-electron conduction can be used. In particular, Li, Ca, and Nb are suitable for matching with the 3d multiple spin band. Furthermore, it is possible to use an antiferromagnetic metal such as Cr and Mn. When Co is used for the ferromagnetic layer (the fixed layer 11 and the free layer 12), Ru is also preferable from the viewpoint of lattice matching. is there.

このスペーサ層13の厚さは、スピン・コヒーレンスの長さより薄くすることが好ましく、実用的な厚さの範囲は0.5nm〜5μmである。   The spacer layer 13 is preferably thinner than the spin coherence length, and the practical thickness range is 0.5 nm to 5 μm.

一方、固定層11や自由層12については、強磁性材料が用いられるが、これらを同じ材料で構成する場合には次の中から選択することが好ましい。   On the other hand, for the fixed layer 11 and the free layer 12, ferromagnetic materials are used. However, when these are made of the same material, it is preferable to select from the following.

単体: (110)配向 bcc Fe
(001)配向 bcc Fe
C軸面内配向 hcp Co
(111)配向 fcc Co
(110)配向 fcc Co
(001)配向 fcc Co
2元合金: Fe1−xCo(0<x<1)
NiFe1−x(0<x<0.75)
Ni79Fe21(パーロマイ合金)
3元合金: MnFeCo
FeCoNi
Simple substance: (110) Orientation bcc Fe
(001) Orientation bcc Fe
C-axis in-plane orientation hcp Co
(111) Orientation fcc Co
(110) Orientation fcc Co
(001) Orientation fcc Co
Binary alloy: Fe 1-x Co x (0 <x <1)
Ni x Fe 1-x (0 <x <0.75)
Ni 79 Fe 21 (Perlomy alloy)
Ternary alloy: MnFeCo
FeCoNi

固定層11と自由層12が同じ材料でない場合、固定層11にギルバート減衰係数が自由層12のそれよりも遥かに大きい材料を選べば、後述の磁化固定化層を設ける必要がなくなる。   When the fixed layer 11 and the free layer 12 are not the same material, if a material having a Gilbert damping coefficient much larger than that of the free layer 12 is selected for the fixed layer 11, it is not necessary to provide a magnetization fixed layer described later.

あるいは、固定層11の一軸磁気異方性を自由層12のそれより大きくすることにより磁化固定化層を省略することができる。なお、一軸磁気異方性の調整は、組成、形状によって行う。   Alternatively, the magnetization fixed layer can be omitted by making the uniaxial magnetic anisotropy of the fixed layer 11 larger than that of the free layer 12. The uniaxial magnetic anisotropy is adjusted depending on the composition and shape.

磁化固定化層の省略に関して言えば、固定層11の厚さを自由層12の厚さより厚くすることによって、磁化固定化層を省略することも可能である。   Regarding the omission of the magnetization fixed layer, the magnetization fixed layer can be omitted by making the fixed layer 11 thicker than the free layer 12.

さらに、電流を偏極させる効率が固定層11と自由層12において異なるものを選ぶことにより、メモリー状態0→1の書き込みと1→0の書き込み時に必要な書き込み電流や書き込み時間を異なった値にすることができる。このような書き込み電流の非対称性は、例えばチップ上の全セルを同時にクリアするときに1個当たりの電流が低くて済む極性を選ぶことができる等、回路構成上の利点がある。   Furthermore, by selecting different current polarization efficiencies between the fixed layer 11 and the free layer 12, the write current and write time required for writing in the memory state 0 → 1 and 1 → 0 are set to different values. can do. Such an asymmetry of the write current has an advantage in circuit configuration, for example, a polarity that requires a low current per cell when all cells on the chip are simultaneously cleared can be selected.

また、PtMnSb等のホイスラー合金や半金属材料を固定層11や自由層12の偏極電子源として用いることも可能である。   Further, a Heusler alloy such as PtMnSb or a metalloid material can be used as the polarized electron source of the fixed layer 11 and the free layer 12.

上記固定層11の磁化は固定されるが、ここで、電子の偏極化は、強磁性体内の交換分裂を最大にする一方、常磁性/強磁性界面における多数スピン電子の反射を最低にすることで達成される。   The magnetization of the pinned layer 11 is pinned, where electron polarization maximizes exchange splitting in the ferromagnetic body while minimizing the reflection of many spin electrons at the paramagnetic / ferromagnetic interface. Is achieved.

一方、強磁性体内の分極は、スレーター・ポーリング曲線の傾向に従う(すなわち、原子あたりの平均モーメントは交換分裂に比例する。)。   On the other hand, the polarization in the ferromagnet follows the trend of the Slater-Paul curve (ie, the average moment per atom is proportional to the exchange splitting).

高い偏極を得るのに有効な強磁性体は、Feが豊富なFeCo合金である。3d強磁性体の遍歴d電子は、ほぼ等方的で自由電子状の波動ベクトルを持つので、強磁性体の結晶配向の選択における柔軟性を可能にする。   An effective ferromagnetic material for obtaining high polarization is a FeCo-rich FeCo alloy. The itinerant d-electrons of the 3d ferromagnet have a nearly isotropic and free-electron wave vector, thus allowing flexibility in the selection of the crystal orientation of the ferromagnet.

また、スイッチ可能な自由層12を構成する強磁性体において、磁化方向が2つの安定した方向となるために、膜内での一軸異方性が挙げられる。これは、強磁性結晶の向きと格子歪みの制御、あるいはバイアス磁場の存在下における強磁性膜の堆積等によって達成可能である。   Further, since the magnetization direction of the ferromagnetic material constituting the switchable free layer 12 is two stable directions, uniaxial anisotropy is given in the film. This can be achieved by controlling the orientation and lattice strain of the ferromagnetic crystal, or by depositing a ferromagnetic film in the presence of a bias magnetic field.

このとき、小さな一軸異方性Huの値は、自由層12の磁化状態を切り換えるのに簡便ではあるが、こうしたシステムのCPP電圧測定は微妙な実験条件を必要とする。したがって、一軸異方性Huの小さすぎる材料で作製されたメモリーセルは、実際的なデバイスとしては適していない。   At this time, a small value of the uniaxial anisotropy Hu is convenient for switching the magnetization state of the free layer 12, but the CPP voltage measurement of such a system requires delicate experimental conditions. Therefore, a memory cell made of a material having too small uniaxial anisotropy Hu is not suitable as a practical device.

一軸異方性を有するいくつかの強磁性薄膜の分極効率は、以下に示す通りである。   The polarization efficiencies of some ferromagnetic thin films having uniaxial anisotropy are as follows.

・結晶磁気異方性で定まる易磁化軸方向(〔001〕方向)に沿って磁化された(110)面bcc鉄(高分極化効率、高いHu)
・バイアス磁場の存在下で蒸着され磁場と平行に一軸誘導磁気異方性が付与されたパーマロイ(最適な分極化効率、小さいHu)
・面内c軸方向に一軸異方性を備えたhcpコバルト(高い分極化効率、大きいHu)
・Fe格子サイトのx%でのCo置換によりbcc構造をとるFe1-x Cox 合金。膜面は(110)で、〔100〕方向に面内一軸磁気異方性の磁化容易軸を持つ。(最も高い分極化効率、大きいHu)
効率良く電流を偏極させるためには、固定層11や自由層12に用いられる強磁性体と、スペーサ層13に用いられる常磁性体(非磁性体)の組み合わせが重要である。以下に、好適な組み合わせを例示する。
(110) bcc iron magnetized along the easy magnetization axis direction ([001] direction) determined by the magnetocrystalline anisotropy (high polarization efficiency, high Hu)
Permalloy deposited in the presence of a bias magnetic field and given uniaxial induced magnetic anisotropy parallel to the magnetic field (optimal polarization efficiency, small Hu)
-Hcp cobalt with high uniaxial anisotropy in the in-plane c-axis direction (high polarization efficiency, large Hu)
An Fe1-x Cox alloy having a bcc structure by Co substitution at x% of Fe lattice sites. The film surface is (110) and has an easy axis of in-plane uniaxial magnetic anisotropy in the [100] direction. (Highest polarization efficiency, large Hu)
In order to efficiently polarize the current, a combination of a ferromagnetic material used for the fixed layer 11 and the free layer 12 and a paramagnetic material (nonmagnetic material) used for the spacer layer 13 is important. Examples of suitable combinations are shown below.

a.常磁性Cr/強磁性Fe
共にbccで格子整合し、且つFeの少数スピンバンドがCrのバンドとうまくつながる。
a. Paramagnetic Cr / ferromagnetic Fe
Both are lattice-matched by bcc, and the Fe minority spin band is well connected to the Cr band.

b.常磁性Au/強磁性Fe
共に(001)配向のfcc−Auとbcc−Feが、<100>軸が45°をなすように互いに回転された面内方位関係を持つように積層された場合、良好なエピタキシャル成長が得られる。
b. Paramagnetic Au / ferromagnetic Fe
When the (001) -oriented fcc-Au and bcc-Fe are laminated so as to have an in-plane orientation relationship in which the <100> axis forms 45 °, the epitaxial growth is good.

c.常磁性Ag/強磁性Fe
同上
c. Paramagnetic Ag / ferromagnetic Fe
Same as above

d.常磁性Cu/強磁性Co
共にfccで、エピタキシャル成長させるとCoの多数スピンバンドがCuのバンドに良好につながる。
d. Paramagnetic Cu / ferromagnetic Co
When both are fcc and epitaxially grown, the majority spin band of Co is well connected to the Cu band.

e.常磁性Ru/強磁性Co
共にhcpでエピタキシャル成長する。c軸を面内に持つ方位で成長した場合には、面内に一軸異方性が得られる。
e. Paramagnetic Ru / ferromagnetic Co
Both are epitaxially grown by hcp. When grown in an orientation having the c-axis in the plane, uniaxial anisotropy is obtained in the plane.

固定層11の磁化状態を一定に保つためには、先に述べたような材質の選択等を採用してもよいが、磁化固定化層を固定層11と接触させて形成してもよい。磁化固定化層は、反強磁性体によって形成されるもので、固定層11の磁気モーメントがこの磁化固定化層によってピン止めされ、磁化状態が一定に保たれる。   In order to keep the magnetization state of the fixed layer 11 constant, the selection of the material as described above may be employed, but the magnetization fixed layer may be formed in contact with the fixed layer 11. The magnetization fixed layer is formed of an antiferromagnetic material, and the magnetic moment of the fixed layer 11 is pinned by the magnetization fixed layer, so that the magnetization state is kept constant.

このとき、磁化固定化層を構成する反強磁性体として金属を用いれば、常磁性金属層14に替えて形成することで、これを電極として兼用することも可能である。   At this time, if a metal is used as the antiferromagnetic material constituting the magnetization fixed layer, it can be used instead of the paramagnetic metal layer 14 by forming it.

ピン止め層である磁化固定化層を構成する反強磁性金属材料としては、FeMn、IrMn、NiMn、RhMn、CrMnPt、FeMnPt等を挙げることができるが、高温作動と大きいピンニング場(T=450Kまで650エルステッド程度)を提供することからNiMnが好適である。   Examples of the antiferromagnetic metal material constituting the pinned layer magnetization pinned layer include FeMn, IrMn, NiMn, RhMn, CrMnPt, and FeMnPt. NiMn is preferred because it provides about 650 oersteds).

一方、自由層12の磁化方向(メモリー状態)が熱や磁場のゆらぎでゆるがず安定に保たれるためには、セル形状、組成、堆積法等を最適化して、異方性磁場Hu>100(Oe)の一軸異方性を自由層12に付与することが好ましい。   On the other hand, in order for the magnetization direction (memory state) of the free layer 12 to remain stable without fluctuating due to fluctuations in heat or magnetic field, the cell shape, composition, deposition method, etc. are optimized and the anisotropic magnetic field Hu> 100. It is preferable to provide the free layer 12 with uniaxial anisotropy of (Oe).

磁化が自由層12の面内でスイッチする(方向を変える)ような設計の場合は、短辺が1μm以下の短冊形状の縦横比によって異方性磁場Huを最適化することができる。   In the case of a design in which the magnetization switches in the plane of the free layer 12 (changes direction), the anisotropic magnetic field Hu can be optimized by a strip-shaped aspect ratio with a short side of 1 μm or less.

磁化を面内方向と膜面に対して垂直な方向との間でスイッチさせる場合には、十分な垂直磁気異方性を得るために、自由層12の厚さを5原子層以下にすることが好ましい。具体的には、自由層12は大略1nmの厚さとすることが好ましい。これは面内磁化膜と垂直磁化膜の遷移領域である。   When switching the magnetization between the in-plane direction and the direction perpendicular to the film surface, the thickness of the free layer 12 should be 5 atomic layers or less in order to obtain sufficient perpendicular magnetic anisotropy. Is preferred. Specifically, the free layer 12 is preferably about 1 nm thick. This is a transition region between the in-plane magnetization film and the perpendicular magnetization film.

常磁性金属層14,15は、電極となる部分であり、導電性を有する常磁性金属であればいずれも使用可能である。また、その厚さは、ワイヤボンディングやパターニング技術に依存する。   The paramagnetic metal layers 14 and 15 are portions to be electrodes, and any paramagnetic metal having conductivity can be used. The thickness depends on wire bonding and patterning technology.

上記メモリーセル1の面内寸法は、書き込み電流が作る磁場の影響を抑えるために、0.5nm〜5μmの範囲内とすることが好ましい。 The in-plane dimension of the memory cell 1 is preferably in the range of 0.5 nm 2 to 5 μm 2 in order to suppress the influence of the magnetic field generated by the write current.

上述のメモリーセル1においては、図5及び図6に示すように、自由層12への書き込みが磁化スイッチング(磁化反転)の方向を決定する働きのあるパルス電流を用いてなされる。   In the memory cell 1 described above, as shown in FIGS. 5 and 6, writing to the free layer 12 is performed using a pulse current that serves to determine the direction of magnetization switching (magnetization reversal).

例えば、平行磁化整合から反平行磁化整合への書き込みは、図5に示すように、自由層12から固定層11に向かって流れる電子粒子密度パルスJpにより開始される。このとき、電流密度パルスJe(電流I)は、これとは反対方向に流れる。   For example, writing from parallel magnetization matching to antiparallel magnetization matching is started by an electron particle density pulse Jp flowing from the free layer 12 toward the fixed layer 11 as shown in FIG. At this time, the current density pulse Je (current I) flows in the opposite direction.

スイッチング電流Iの大きさは接合領域Aにおける臨界値Jtよりも大きくなっており、ナノ秒単位でパルスを持続することにより自由層12の磁化の向きが反転し、初期状態で平行磁化整合であったものが、書き込み終了時には固定層11と自由層12で磁化の向きが逆方向となり、反平行磁化整合状態となる。   The magnitude of the switching current I is larger than the critical value Jt in the junction region A. By continuing the pulse in nanosecond units, the magnetization direction of the free layer 12 is reversed and parallel magnetization matching is achieved in the initial state. However, at the end of writing, the magnetization directions of the fixed layer 11 and the free layer 12 are reversed, and an antiparallel magnetization matching state is obtained.

反平行磁化整合から平行磁化整合への書き込みも同様であるが、図6に示すように、電子の流れや電流の向きは逆である。すなわち、本例の場合、電子粒子密度パルスJpは固定層11から自由層12に向かって流れ、電流密度パルスJe(電流I)は固定層11に向かって流れる。   The writing from antiparallel magnetization matching to parallel magnetization matching is the same, but the flow of electrons and the direction of current are reversed as shown in FIG. That is, in this example, the electron particle density pulse Jp flows from the fixed layer 11 toward the free layer 12, and the current density pulse Je (current I) flows toward the fixed layer 11.

読み出しは、例えば、メモリーセル1において電流が各層に垂直に流れる(CPP)配置での巨大磁気抵抗効果(GMR)を用いることによって実現することができる。   Reading can be realized, for example, by using a giant magnetoresistance effect (GMR) in a memory cell 1 in which a current flows perpendicularly to each layer (CPP).

図7及び図8は、読み出しの原理を説明するものである。この例では、図7に示すように、平行磁化整合状態に対して臨界値Jt以下の読み取り電流パルスを流すと、論理「0」に対応する低電圧パルスVlowが得られる。   7 and 8 illustrate the principle of reading. In this example, as shown in FIG. 7, when a read current pulse having a critical value Jt or less is applied to the parallel magnetization matching state, a low voltage pulse Vlow corresponding to logic “0” is obtained.

逆に、図8に示すように、反平行磁化整合状態に対して臨界値Jt以下の読み取り電流パルスを流すと、論理「1」に対応する高電圧パルスVhigh が得られる。   Conversely, as shown in FIG. 8, when a read current pulse having a critical value Jt or less is applied to the antiparallel magnetization matching state, a high voltage pulse Vhigh corresponding to logic “1” is obtained.

このような読み出し方法を採用する場合、読み出しに好都合な5%以上のGMR比(ΔR/R)を得るために、固定層11と自由層12は、各々の電子の偏極PolとPolが下記の数1を満たすものを用いることが好ましい。 When such a reading method is adopted, in order to obtain a GMR ratio (ΔR / R) of 5% or more that is convenient for reading, the fixed layer 11 and the free layer 12 have their respective polarizations Pol 1 and Pol 2. It is preferable to use those satisfying the following formula 1.

Figure 0004605208
Figure 0004605208

また、メモリー状態を読み出す方法としては、これに限らず、例えば磁気抵抗効果の代わりに磁気カー効果を利用し、自由層12の磁化方法を調べる方式等も用いることができる。   Further, the method of reading the memory state is not limited to this, and for example, a method of examining the magnetization method of the free layer 12 using the magnetic Kerr effect instead of the magnetoresistive effect can be used.

上記メモリーセル1のアドレス方式としては、先に述べたように専用書き込み線を用いる方式と、いわゆるxyアドレス方式がある。   As the address system of the memory cell 1, there are a system using a dedicated write line as described above and a so-called xy address system.

このとき、専用書き込み線を持つアドレス方式では、1個のセルに必要な結線は、接地の電極(常磁性金属層14)の他に、常磁性金属層15で2カ所とし、疑似4端子測定を行う。勿論、各常磁性金属層14,15に各々1カ所結線する2端子測定で十分な場合もあり得る。   At this time, in the address system having a dedicated write line, the connection required for one cell is two places in the paramagnetic metal layer 15 in addition to the ground electrode (paramagnetic metal layer 14), and the pseudo 4-terminal measurement is performed. I do. Of course, there may be a case where a two-terminal measurement in which one paramagnetic metal layer 14 and 15 is connected is sufficient.

xyアドレス方式では、x,y両配線3,4に同時にパルスが印加されている場合にのみ書き込み臨界電流を越える電流が流れるようにすれば、書き込みメモリーセルを選択することができる。   In the xy address system, a write memory cell can be selected if a current exceeding the write critical current flows only when pulses are simultaneously applied to both the x and y wires 3 and 4.

このとき、目的の書き込みメモリーセルでパルスの一致を確実なものとするために、x線またはy線の一方(例えばx線)には長いパルスを与え、他方(y線)には短いパルスを与えるようにしてもよい。   At this time, in order to ensure the coincidence of pulses in the target write memory cell, a long pulse is given to one of the x-rays or the y-line (for example, the x-rays) and a short pulse is given to the other (y-line). You may make it give.

以上が本発明のメモリー装置の概略構成であるが、このメモリー装置においては、メモリー状態の読み出し結果に従って他の回路を動作させて論理演算を行わせるために、例えば読み出し信号を増幅する回路を組み込んでメモリーチップとすることもできる。   The above is the schematic configuration of the memory device of the present invention. In this memory device, for example, a circuit for amplifying a read signal is incorporated in order to operate other circuits according to the memory state read result and perform a logical operation. It can also be a memory chip.

上述のメモリー装置においては、外部からの磁場の印加によるより、むしろスピン電流の注入により磁化が切り換わるので、セル同士の間に干渉が存在しない。したがって、一辺100nmの面内デバイス寸法を基に最大記憶密度を算出すると、スピン・バルブRAMやSDT−RAMの100倍以上の1011セル/平方インチが期待できる。 In the memory device described above, since the magnetization is switched by injection of a spin current rather than by application of a magnetic field from the outside, there is no interference between the cells. Therefore, when the maximum memory density is calculated based on the in-plane device dimensions of 100 nm on a side, 10 11 cells / in 2 which is 100 times or more that of spin valve RAM or SDT-RAM can be expected.

また、半導体メモリと比較したときには、温度変動に耐え、高い電力密度で動作し、高い放熱を図ることができるという点で、半導体メモリに対して優位性を有する。また、半導体メモリと比較して、作製のためのステップを大幅に削減することができる。   Further, when compared with a semiconductor memory, it has an advantage over a semiconductor memory in that it can withstand temperature fluctuations, operates at a high power density, and can achieve high heat dissipation. In addition, the number of steps for manufacturing can be significantly reduced as compared with a semiconductor memory.

さらに、SDT−RAMと比較したときには、薄膜絶縁トンネル・バリアの作成が不要であるという点で、製造上、大きな利点を有する。   Further, when compared with SDT-RAM, there is a great advantage in manufacturing in that it is not necessary to create a thin film insulating tunnel barrier.

次に、実際にメモリー装置を作製した具体的実施例について説明する。   Next, specific examples in which a memory device is actually manufactured will be described.

本実施例では、先ず、図9及び図10に示すように、研磨し清浄し酸化処理したSi基板21を用意し、その中央の2cm×2cmの領域に厚さ0.5μmのAu膜22を蒸着法により成膜した。   In this embodiment, first, as shown in FIGS. 9 and 10, a polished, cleaned and oxidized Si substrate 21 is prepared, and an Au film 22 having a thickness of 0.5 μm is formed in a central 2 cm × 2 cm region. A film was formed by vapor deposition.

Si基板21は、ドーピング処理されておらず、外径4インチ、厚さ0.01インチである。また、このSi基板21は、Au膜22の蒸着前に予めダイアモンド・ポイントで刻んでおき、処理された領域(Au膜22形成領域)の切り出しを可能としておいた。   The Si substrate 21 is not doped and has an outer diameter of 4 inches and a thickness of 0.01 inches. In addition, the Si substrate 21 was previously carved with diamond points before the deposition of the Au film 22 so that the processed region (Au film 22 formation region) could be cut out.

次に、図11に示すように、Au膜22上にレジスト層23を形成し、これをメモリーセルの形状に応じてパターニングした。このとき、レジスト層23の厚さは50nm以上とした。   Next, as shown in FIG. 11, a resist layer 23 was formed on the Au film 22 and patterned according to the shape of the memory cell. At this time, the thickness of the resist layer 23 was 50 nm or more.

次いで、図12に示すように、固定層となる第1の強磁性層24、常磁性スペーサとなるAu膜25、自由層となる第2の強磁性層26、及び電極となるAu膜27を順次蒸着法により成膜した。   Next, as shown in FIG. 12, a first ferromagnetic layer 24 serving as a fixed layer, an Au film 25 serving as a paramagnetic spacer, a second ferromagnetic layer 26 serving as a free layer, and an Au film 27 serving as an electrode are formed. Films were formed sequentially by vapor deposition.

第1の強磁性層24は、Ni81Fe19なる組成を有するパーマロイ膜であり、厚さは4nmである。 The first ferromagnetic layer 24 is a permalloy film having a composition of Ni 81 Fe 19 and has a thickness of 4 nm.

成膜に際しては、100エルステッドの磁場存在下で一軸磁気異方性を誘起した。   During film formation, uniaxial magnetic anisotropy was induced in the presence of a magnetic field of 100 oersted.

Au膜25は、厚さ20nmであり、成膜時には磁場を維持した。   The Au film 25 has a thickness of 20 nm and maintained a magnetic field during film formation.

第2の強磁性層26は、厚さ1nmのパーマロイ膜であり、第1の強磁性層24を成膜する際に印加した磁場と同様の磁場を印加しながら成膜した。   The second ferromagnetic layer 26 is a permalloy film having a thickness of 1 nm, and was formed while applying a magnetic field similar to the magnetic field applied when forming the first ferromagnetic layer 24.

これにより、第2の強磁性層26のc軸線と第1の強磁性層25の磁化が平行になるように、第2の強磁性層26に一軸磁気異方性が誘起された。   Thereby, uniaxial magnetic anisotropy was induced in the second ferromagnetic layer 26 so that the c-axis line of the second ferromagnetic layer 26 and the magnetization of the first ferromagnetic layer 25 were parallel.

最後に蒸着されたAu膜27は、厚さ25nmであり、これを成膜することにより、メモリーセルを構成する多層膜28の成膜が完了した。   The Au film 27 finally deposited has a thickness of 25 nm, and the film formation of the multilayer film 28 constituting the memory cell was completed.

多層膜の成膜の後、図13に示すように、先に形成したレジスト層23を溶解除去し、この上に成膜された多層膜をリフトオフしてパターニングした。   After the multilayer film was formed, as shown in FIG. 13, the previously formed resist layer 23 was dissolved and removed, and the multilayer film formed thereon was lifted off and patterned.

このリフトオフにより、上記多層膜28のうち、メモリーセルに対応する部分28aと、接地端子として利用される部分28bを残した。パターニング状態を図14に示す。   By this lift-off, a portion 28a corresponding to the memory cell and a portion 28b used as a ground terminal of the multilayer film 28 were left. The patterning state is shown in FIG.

次に、図15に示すように、上記多層膜28のメモリーセルに対応する部分28aや、接地端子として利用される部分28bを覆って、ポリメチルメタクリレートからなる絶縁層29を形成した。   Next, as shown in FIG. 15, an insulating layer 29 made of polymethyl methacrylate was formed so as to cover a portion 28 a corresponding to the memory cell of the multilayer film 28 and a portion 28 b used as a ground terminal.

この絶縁層29の厚さは60nmであり、平坦化膜として機能するものである。   The insulating layer 29 has a thickness of 60 nm and functions as a planarizing film.

さらに、図16に示すように、酸素プラズマエッチングにより、上記多層膜28のメモリーセルに対応する部分28aや、接地端子として利用される部分28bを露出させた。   Further, as shown in FIG. 16, the portion 28a corresponding to the memory cell of the multilayer film 28 and the portion 28b used as a ground terminal were exposed by oxygen plasma etching.

しかる後、接地端子として利用される部分28bを覆ってフォトレジスト層30を形成した。   Thereafter, a photoresist layer 30 was formed covering the portion 28b used as the ground terminal.

このフォトレジスト層30は、厚さ0.2μmであり、接地端子として利用される部分28bのみを覆い、図17に示すように、メモリーセルに対応する部分28aが露出するようにパターニングした。   This photoresist layer 30 has a thickness of 0.2 μm, covers only the portion 28b used as a ground terminal, and is patterned so that the portion 28a corresponding to the memory cell is exposed as shown in FIG.

さらに、図18に示すように、この上に厚さAu膜31を成膜し、図19に示すように、上記フォトレジスト層30を溶解除去してこれをリフトオフした。このパターニングによるAu膜31の残存形状を図20に示す。   Further, as shown in FIG. 18, an Au film 31 having a thickness was formed thereon, and as shown in FIG. 19, the photoresist layer 30 was dissolved and removed to lift off. The remaining shape of the Au film 31 by this patterning is shown in FIG.

残存するAu膜31は、メモリーセルの一方の電気的接点となるもので、電極となるAu膜27と電気的に接続されている。   The remaining Au film 31 serves as one electrical contact of the memory cell and is electrically connected to the Au film 27 serving as an electrode.

また、フォトレジスト層30を溶解除去することにより、上記接地端子として利用される部分28bが露呈するが、この部分28bは他方の電極、すなわち第1の強磁性層24の電極となるAu膜22と電気的に接続されている。   Further, by dissolving and removing the photoresist layer 30, the portion 28b used as the ground terminal is exposed. This portion 28b is the other electrode, that is, the Au film 22 serving as the electrode of the first ferromagnetic layer 24. And are electrically connected.

最後に、図21に示すように、これら電気的接点(Au膜27及び接地端子として利用される部分28b)に電圧信号に対するワイヤ32,33及び電流パルスに対するワイヤ34,35をボンディングし、これをCuヒートシンクに固着してメモリー装置を完成した。   Finally, as shown in FIG. 21, wires 32 and 33 for voltage signals and wires 34 and 35 for current pulses are bonded to these electrical contacts (the Au film 27 and the portion 28b used as a ground terminal). The memory device was completed by adhering to a Cu heat sink.

作製したメモリー装置について、その特性を測定した。結果を以下に示す。   The characteristics of the manufactured memory device were measured. The results are shown below.

<演算された値>
偏極効率: 〜30%
自由層に対する面内有効異方性磁場: Hu=+2Ku/Ms〜10Oe
スピン数密度: 〜1.9×1015cm
ギルバート減衰係数: 〜0.01
臨界値Jt: 〜8×10A/cm
電気抵抗: 〜16mΩ
ノイズ電圧(10Hz Bw,77k): 〜0.3nV
<測定値>
実験によるスイッチング電流密度: 〜2×10A/cm
スイッチング時間θ(0〜π): 〜0.1μ秒
読み取り中のピーク消費電力: 〜0.1pW
読み取り電流密度: 〜4×10A/cm
読み取り電流パルス: 〜6.4μA,1Hz
CPP GMR 5% ΔR/R: 〜(800μΩ/16mΩ)
平均読み取り電圧: 〜5nV
以上、本発明を適用した具体的な実施例について説明してきたが、本発明がこの実施例に限定されるものでないことは言うまでもない。
<Calculated value>
Polarization efficiency: ~ 30%
In-plane effective anisotropic magnetic field for the free layer: Hu = + 2 Ku / Ms to 10 Oe
Spin number density: ˜1.9 × 10 15 cm 2
Gilbert damping coefficient: ~ 0.01
Critical value Jt: ˜8 × 10 3 A / cm 2
Electrical resistance: ~ 16mΩ
Noise voltage (10Hz Bw, 77k): ~ 0.3nV
<Measured value>
Experimental switching current density: ˜2 × 10 4 A / cm 2
Switching time θ (0 to π): ˜0.1 μsec Peak power consumption during reading: ˜0.1 pW
Read current density: ˜4 × 10 3 A / cm 2
Read current pulse: 6.4 μA, 1 Hz
CPP GMR 5% ΔR / R: ~ (800μΩ / 16mΩ)
Average reading voltage: ~ 5nV
As mentioned above, although the specific Example to which this invention is applied has been demonstrated, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to this Example.

本発明を適用したメモリー装置の概略構成を模式的に示す斜視図である。1 is a perspective view schematically showing a schematic configuration of a memory device to which the present invention is applied. メモリーセルの構成例を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structural example of a memory cell typically. メモリーセルへの専用書き込み線の接続状態を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the connection state of the exclusive writing line to a memory cell. xyアドレス方式の配線状態を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the wiring state of an xy address system. 平行磁化整合から反平行磁化整合への書き込み動作を示す模式図である。It is a schematic diagram showing a write operation from parallel magnetization matching to antiparallel magnetization matching. 反平行磁化整合から平行磁化整合への書き込み動作を示す模式図である。It is a schematic diagram showing a write operation from antiparallel magnetization matching to parallel magnetization matching. 平行磁化整合状態における読み出し信号を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the read-out signal in a parallel magnetization matching state. 反平行磁化整合状態における読み出し信号を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the read-out signal in an antiparallel magnetization matching state. メモリーセルの製造工程を工程順に従って示すもので、Si基板へのAu膜の成膜状態を示す概略平面図である。FIG. 3 is a schematic plan view showing a manufacturing process of a memory cell according to a process order and showing a film formation state of an Au film on a Si substrate. Si基板へのAu膜の成膜状態を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the film-forming state of Au film | membrane to Si substrate. レジスト層の形成工程を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the formation process of a resist layer. 多層膜の成膜工程を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the film-forming process of a multilayer film. 多層膜のリフトオフ工程を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the lift-off process of a multilayer film. リフトオフにより残存する多層膜のパターン形状を示す概略平面図である。It is a schematic plan view which shows the pattern shape of the multilayer film which remains by lift-off. 絶縁膜の形成工程を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the formation process of an insulating film. 絶縁膜のエッチング工程を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the etching process of an insulating film. フォトレジスト層の形成工程を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the formation process of a photoresist layer. Au膜の成膜工程を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the film-forming process of Au film | membrane. Au膜のリフトオフ工程を示す概略斜視図である。It is a schematic perspective view which shows the lift-off process of Au film | membrane. リフトオフ後のパターン形状を示す概略平面図である。It is a schematic plan view which shows the pattern shape after lift-off. 電気的接点へのワイヤの接続工程を模式的に示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows typically the connection process of the wire to an electrical contact.

符号の説明Explanation of symbols

1 メモリーセル、11 固定層、12 自由層、13 スペーサ層、14,15 常磁性金属層   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Memory cell, 11 Fixed layer, 12 Free layer, 13 Spacer layer, 14, 15 Paramagnetic metal layer

Claims (8)

化の向きが固定される第1の強磁性層と、スペーサ層と、磁化の向きによりメモリー状態が切り換えられる第2の強磁性層とが順次積層されてなる強磁性層を備え、該強磁性層の膜面に垂直方向に電流が流れるように設計された磁気抵抗効果素子であって、
磁気抵抗効果素子はスピン偏極した電子の注入によってメモリー状態が切り換えられ、磁気抵抗効果素子の面内寸法は0.5nm〜5μmの範囲であり、
常磁性金属層が上記第2の強磁性層上に積層形成されているとともに、反強磁性金属材料からなる磁化固定化層が、上記第1の強磁性層の上記スペーサ層が積層されている面とは反対の面に接して形成されている磁気抵抗効果素子。
It comprises a first ferromagnetic layer in which the direction of magnetization is fixed, and the spacer layer, a ferromagnetic layer and a second ferromagnetic layer memory state is switched, which are sequentially laminated by a magnetization direction, the strong A magnetoresistive element designed to allow current to flow in a direction perpendicular to the film surface of the magnetic layer,
The magnetoresistive element, memory state is switched by injecting electrons spin-polarized in-plane dimensions of the magnetoresistive element, Ri range der of 0.5 nm 2 5 .mu.m 2,
A paramagnetic metal layer is laminated on the second ferromagnetic layer, and a magnetization fixed layer made of an antiferromagnetic metal material is laminated on the spacer layer of the first ferromagnetic layer. A magnetoresistive effect element formed in contact with a surface opposite to the surface .
上記反強磁性金属材料は、NiMnである請求項1記載の磁気抵抗効果素子。The magnetoresistive element according to claim 1, wherein the antiferromagnetic metal material is NiMn. 上記第1の強磁性層の厚さが第2の強磁性層の厚さよりも大であ請求項1記載の磁気抵抗効果素子。 The thickness of the first ferromagnetic layer magnetoresistive element Ah Ru claim 1, wherein at greater than the thickness of the second ferromagnetic layer. 上記第2の強磁性層の厚さが5原子層以下であ請求項1記載の磁気抵抗効果素子。 The magnetoresistive element of the second thickness of the ferromagnetic layer is Ru der than 5 atomic layers according to claim 1. 化の向きが固定される第1の強磁性層と、スペーサ層と、磁化の向きによりメモリー状態が切り換えられる第2の強磁性層とが順次積層されてなる強磁性層を備えた磁気抵抗効果素子であって該強磁性層の膜面に垂直方向に電流が流れるように設計された磁気抵抗効果素子が配列されてなる磁気メモリー装置であって、
上記記磁気抵抗効果素子はスピン偏極した電子の注入によってメモリー状態が切り換えられ、磁気抵抗効果素子の面内寸法は、0.5nm〜5μmの範囲であり、
常磁性金属層が上記第2の強磁性層上に積層形成されているとともに、反強磁性金属材料からなる磁化固定化層が、上記第1の強磁性層の上記スペーサ層が積層されている面とは反対の面に接して形成されている磁気メモリー装置。
A first ferromagnetic layer in which the direction of magnetization is fixed, a magnetic resistance with a spacer layer, a ferromagnetic layer and a second ferromagnetic layer memory state is switched, which are sequentially stacked by the direction of magnetization a effect device a magnetic memory device magnetoresistive element formed by sequences designed to current flow in the direction perpendicular to the film surface of the ferromagnetic layer,
The Symbol magnetoresistive element, memory state is switched by injecting electrons spin-polarized in-plane dimensions of the magnetoresistive element, Ri range der of 0.5 nm 2 5 .mu.m 2,
A paramagnetic metal layer is laminated on the second ferromagnetic layer, and a magnetization fixed layer made of an antiferromagnetic metal material is laminated on the spacer layer of the first ferromagnetic layer. A magnetic memory device formed in contact with a surface opposite to the surface .
上記反強磁性金属材料は、NiMnである請求項5記載の磁気メモリー装置。6. The magnetic memory device according to claim 5, wherein the antiferromagnetic metal material is NiMn. 上記第1の強磁性層の厚さが第2の強磁性層の厚さよりも大であ請求項5記載の磁気メモリー装置。 The first ferromagnetic layer magnetic memory device of Ah Ru claim 5, wherein at greater thickness than the thickness of the second ferromagnetic layer. 上記第2の強磁性層の厚さが5原子層以下であ請求項5記載の磁気メモリー装置。 It said second ferromagnetic layer magnetic memory device having a thickness of Ru der than 5 atomic layer according to claim 5, wherein the.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09509775A (en) * 1993-10-01 1997-09-30 アメリカ合衆国 Ultra high density, non-volatile ferromagnetic random access memory
JPH10284765A (en) * 1997-04-04 1998-10-23 Nippon Steel Corp Voltage drive type spin switch
JPH11120758A (en) * 1997-10-09 1999-04-30 Sony Corp Nonvolatile random access memory

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09509775A (en) * 1993-10-01 1997-09-30 アメリカ合衆国 Ultra high density, non-volatile ferromagnetic random access memory
JPH10284765A (en) * 1997-04-04 1998-10-23 Nippon Steel Corp Voltage drive type spin switch
JPH11120758A (en) * 1997-10-09 1999-04-30 Sony Corp Nonvolatile random access memory

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