JP4615797B2 - Magnetoresistive element, manufacturing apparatus thereof, and magnetic memory device - Google Patents

Magnetoresistive element, manufacturing apparatus thereof, and magnetic memory device Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外部から加える磁界によって抵抗値が変化するという、いわゆるMR(MagnetoResistive)効果を発生する磁気抵抗効果素子およびその製造装置、並びにその磁気抵抗効果素子を用いて情報を記憶するメモリデバイスとして構成された磁気メモリ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、情報通信機器、特に携帯端末装置等の個人用小型機器の飛躍的な普及に伴い、これを構成するメモリやロジックといったデバイスには、高集積化、高速化、低電力化等、より一層の高性能化が要請されている。特に、不揮発性メモリの高密度・大容量化は、可動部分(例えばヘッドシーク機構やディスク回転機構)の存在により本質的に小型化が困難なハードディスク装置や光ディスク装置を置き換える相補的な技術として、益々重要になりつつある。
【0003】
不揮発性メモリとしては、半導体を用いたフラッシュメモリや、強誘電体を用いたFeRAM(Ferro electric Random Access Memory)等が広く知られている。ところが、フラッシュメモリは、情報の書き込み速度がμ秒のオーダーであり、DRAM(Dynamic Random Access Memory)やSRAM(Static Random Access Memory)等の揮発性メモリに比べて遅いという欠点がある。また、FeRAMにおいては、書き換え可能回数が少ないという問題が指摘されている。そこで、これらの欠点を有さない不揮発性メモリとして注目されているのが、MRAM(Magnetic Random Access Memory)と呼ばれる磁気メモリ装置である。MRAMは、巨大磁気抵抗効果(Giant Magnetoresistive;GMR)型またはトンネル磁気抵抗効果(Tunnel Magnetoresistive;TMR)型の記憶素子を用いて情報記録を行うもので、特に近年のTMR材料の特性向上により注目を集めるようになってきている(例えば、「Naji et al.ISSCC2001」)。
【0004】
ここで、MRAMの動作原理について簡単に説明する。MRAMは、マトリクス状に配列された磁気抵抗効果型の記憶素子(セル)を有するとともに、特定の記憶素子への情報記録のためにこれら素子群を縦横に横切る導線(ワード線)および読出し用線(ビット線)を有しており、その交差領域に位置する素子のみに選択的に情報の書き込みを行うように構成されている。つまり、記憶素子への書き込みは、ワード線およびビット線の両方に電流を流すことによって発生する合成電流磁界を用いて、各記憶素子における磁性体の磁化方向を制御することにより行う。一般的には、磁化の向きに応じて、「0」または「1」のいずれかの情報を記憶させる。一方、記憶素子からの情報の読み出しは、トランジスタ等の素子を用いて記憶素子の選択を行い、磁気抵抗効果を通じてその記憶素子における磁性体の磁化方向を電圧信号として取り出すことによって行う。記憶素子の膜構成としては、強磁性体/非磁性体/強磁性体からなる三層構造、すなわち強磁性トンネル接合(Magnetic Tunnel Junction;MTJ)と呼ばれる構造が提案されている。したがって、片方の強磁性体の磁化の向きを固定参照層(ピンド層)、他方を記憶層(フリー層)として用いることによって、トンネル磁気抵抗効果を通じて記憶層における磁化方向が電圧信号と対応するようになるので、上述したような電圧信号としての取り出しが実現可能となるのである。
【0005】
続いて、書き込み時における記憶素子の選択について、さらに詳しく説明する。一般に、強磁性体の容易軸方向に磁化方向と反対向きの磁界を印加すると、ある臨界値±Hsw(以下「反転磁界」という)において、磁化方向が印加された磁界の方向に反転することが知られている。この反転磁界の値は、理論的にはエネルギ最小条件から求めることができる。さらに、磁化容易軸だけでなく磁化困難軸方向にも磁界を印加した場合には、この反転磁界の絶対値が減少することが知られている。これも、やはりエネルギ最小条件から求めることができる。すなわち、磁化困難軸方向に印加した磁界をHxとすると、このときの反転磁界Hyとの間には、Hx(2/3)+Hy(2/3)=Hc(2/3)という関係が成立する。Hcは記憶層の異方性磁界である。この曲線は、図8に示すように、Hx−Hy平面上でアステロイド(星芒)を形成するため、アステロイド曲線と呼ばれる。
【0006】
記憶素子の選択は、このアステロイドを用いて説明するのが簡単である。一般に、ワード線からの発生磁界が磁化容易軸方向と略一致している構成のMRAMにおいては、ワード線からの発生磁界により磁化を反転させて情報の記録を行う。ところが、そのワード線から等距離に位置する記憶素子は複数個あるため、ワード線に反転磁界以上の磁界を発生させる電流を流すと、これら等距離に位置する記憶素子の全てについて同様に記録をしてしまうことになる。ただし、このとき、選択したい記憶素子を横切るビット線に電流を流し、磁化困難軸方向の磁界を発生させると、その選択したい記憶素子における反転磁界が下がる。したがって、このときの反転磁界をHc(h)とし、ビット線磁界が「0」の場合の反転磁界をHc(0)とすると、ワード線磁界HをHc(h)<H<Hc(0)となるように設定すれば、その選択したい記憶素子のみに対して選択的に情報記録を行うことができるようになる。これがMRAMにおける情報記録時の記憶素子選択の手法である。
【0007】
このような構成のMRAMは、不揮発性であり、非破壊読み出しおよびランダムアクセスが可能であるという点の他に、以下に述べるような特徴を有する。すなわち、構造が単純であるため高集積化が容易であり、また磁気抵抗効果型記憶素子における磁気モーメントの回転により情報記録を行うために書き換え可能回数が大である(例えば、1016回以上)。さらには、アクセス時間についても非常に高速であることが予想され、既にナノ秒台で動作可能であることが確認されている(例えば、5ns以下)。また、MOS(Metal Oxide Semiconductor)作製後に配線工程のみで形成されるため、プロセス整合性がよい。特に、書き換え可能回数、ランダムアクセス、高速動作の3点においてフラッシュメモリよりも優れ、またプロセス整合性の点でFeRAMに勝る。さらには、DRAM並みの高集積度とSRAM並みの高速性を両立できると期待されるため、メモリ装置の主流となり得る可能性を秘めている。
【0008】
その一方で、MRAMについては、幾つかの技術的課題も指摘されている。具体的には、低消費電力化やS/N比増加等が強く望まれている。これに対し、例えば低消費電力化については主に記憶層の磁気特性の改善によって、またS/N比増加についてはMR効果(MTJの場合にはトンネルMR効果)の増大によって、それぞれ解決することが可能であると考えられている。これらのことから、MRAMの記憶層を構成する材料が有するべき特性は、反転磁界を低く抑えることができ、かつ、高いMR効果を発生できるものでなければならない。このような材料としては、各種組成のCo(コバルト)−Fe(鉄)二元合金、Ni(ニッケル)−Fe二元合金、Co−Ni−Fe三元合金等が提案されている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、現実的には、記憶層が材料単膜(磁気抵抗効果素子としての多層膜構造を有しない単層膜)の状態における特性のみで、MRAMについての技術的課題の解決を図ろうとするのは容易ではない。これは、材料単膜の状態での記憶層が良好な特性を示しても、磁気抵抗効果素子を構成するために他の層と共に積層された場合には、その多層膜構造中の記憶層が必ずしも良好な特性を示すとは限らないからである。
【0010】
具体的には、例えばMTJ構造を考えると、強磁性体に挟まれる非磁性体が酸化物バリア層からなる場合に、その酸化物バリア層からの酸素の拡散が記憶層に及ぶ可能性があり、これにより記憶層の磁気特性に変化が生じるおそれがある。また、金属非磁性層を用いた磁気抵抗効果素子においても、非磁性層材料の拡散はあり得る。さらには、酸化物バリア層や金属非磁性層等といった強磁性体に挟まれる非磁性体層のみならず、これとは反対側にて記憶層に隣接する層(例えば保護層)からの拡散によっても、その記憶層の磁気特性に変化が生じ得る。つまり、多層膜構造中においては、隣接層からの拡散物質により、記憶層に特性変化が生じてしまうおそれがある。
【0011】
また、成長温度等といった多層膜構造の製造時における環境は、必ずしも記憶層の磁気特性を最適化させるものとはいえない。例えば、反強磁性体を採用した固定参照層を用いている場合には、その反強磁性体が高温での規則化アニール等を要求していても、その熱処理によって記憶層の磁気特性が劣化してはならない。このことから、記憶層を構成する強磁性体材料は、様々な製造環境に対して、何らかの手段によって柔軟にその磁気特性を調整できるようなものであることが望ましい。
【0012】
そこで、本発明は、以上のような従来の実情に鑑みて、多層膜構造中においても良好な特性が得られて高性能化を実現する磁気抵抗効果素子およびその製造装置並びに磁気メモリ装置を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために案出されたもので、二つの強磁性体層とこれらの間に挟まれる非磁性体層とを含む多層膜構造の磁気抵抗効果素子において、前記強磁性体層のうちの少なくとも一方は、結晶粒および結晶粒界の集合体からなるものであり、前記結晶粒界は、当該結晶粒界の属する強磁性体層の隣接層からの拡散物質との結合性を有した元素が析出している強磁性体からなるものであり、前記拡散物質が前記結晶粒よりも前記結晶粒界と優先的に結合するように構成されていることを特徴とする。
【0014】
上記構成の磁気抵抗効果素子によれば、強磁性体層が結晶粒および結晶粒界の集合体からなるのに加えて、その結晶粒界が拡散物質との結合性を有し隣接層(例えば非磁性体層またはこれと反対側で隣接する層)からの拡散物質の拡散が結晶粒よりも結晶粒界の部分で優先的に進むようになっているので、それ以外の結晶粒の部分では本来の磁気特性が保持されたままとなる。また、結晶粒および結晶粒界の集合体からなる強磁性体層が示す磁気特性は、各種熱処理温度のみならず、その組成や粒径にも依存する。したがって、磁気抵抗効果素子の製造時における温度等の環境が予め規定されている場合であっても、強磁性体層の組成や粒径等を制御することにより、その強磁性体層の磁気特性を調整することが可能となる。
【0015】
また、本発明の製造装置は、二つの強磁性体層とこれらの間に挟まれる非磁性体層とを含む多層膜構造の磁気抵抗効果素子を製造するための製造装置であって、前記強磁性体層を成膜する成膜手段を備えるとともに、前記成膜手段は、前記強磁性体層のうちの少なくとも一方を、コバルト、鉄およびニッケルのうちの少なくとも一つを含む磁性材料に一つ以上の異種元素を添加して成膜し、当該少なくとも一方の強磁性体層が結晶粒および結晶粒界の集合体からなり、かつ、前記異種元素が析出している強磁性体によって前記結晶粒界が形成され、当該結晶粒界の属する強磁性体層の隣接層からの拡散物質を前記結晶粒よりも前記結晶粒界と優先的に結合させるようにするものであることを特徴とする。
【0016】
上記構成の磁気抵抗効果素子の製造装置によれば、強磁性体層が結晶粒および結晶粒界の集合体からなり、かつ、その結晶粒界が磁性材料とは異種の元素が析出している強磁性体によって形成され、その結晶粒界の属する強磁性体層の隣接層からの拡散物質を結晶粒よりも当該結晶粒界と優先的に結合させるようにするため、これにより製造された磁気抵抗効果素子は、その異種元素の種類によっては、強磁性体層の隣接層からの拡散物質の拡散が結晶粒界の部分で優先的に進み、それ以外の結晶粒の部分では本来の磁気特性が保持されたままとなり得る。また、磁気抵抗効果素子の製造時における温度等の環境が予め規定されている場合であっても、強磁性体層の組成や粒径等を制御することにより、その強磁性体層の磁気特性を調整することも可能となる。
【0017】
また、本発明は、上記目的を達成するために案出されたもので、二つの強磁性体層とこれらの間に挟まれる非磁性体層とを含む多層膜構造の磁気抵抗効果素子を具備し、前記強磁性体層の磁化方向の変化を利用して情報記録を行うように構成された磁気メモリ装置において、前記強磁性体層のうちの少なくとも一方は、結晶粒および結晶粒界の集合体からなるものであり、前記結晶粒界は、当該結晶粒界の属する強磁性体層の隣接層からの拡散物質との結合性を有した元素が析出している強磁性体からなるものであり、前記拡散物質が前記結晶粒よりも前記結晶粒界と優先的に結合するように構成されていることを特徴とする。
【0018】
上記構成の磁気メモリ装置によれば、情報記録を行うための磁気抵抗効果素子における強磁性体層が結晶粒および結晶粒界の集合体からなるのに加えて、その結晶粒界が拡散物質との結合性を有しており、さらに結晶粒よりも結晶粒界の部分で隣接層からの拡散物質の拡散が優先的に進むことから、磁気抵抗効果素子が多層膜構造であっても、強磁性体層における特性変化を抑制し得る。また、磁気抵抗効果素子の製造時における温度等の環境が予め規定されている場合であっても、強磁性体層の組成や粒径等を制御することにより、その強磁性体層の磁気特性を調整することが可能となる。したがって、磁気抵抗効果素子について良好な特性を得られるので、その磁気抵抗効果素子に対して情報記録を行う際の低消費電力化やS/N比増加等を実現し得るようになる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明に係る磁気抵抗効果素子およびその製造装置並びに磁気メモリ装置について説明する。ここでは、磁気抵抗効果素子としてTMR型スピンバルブ素子(以下、単に「TMR素子」という)を、また磁気メモリ装置としてTMR素子を具備したMRAMを、それぞれ例に挙げて説明する。
【0020】
〔磁気メモリ装置の概要〕
先ず、はじめに、本発明に係る磁気メモリ装置全体の概略構成について説明する。図1は、MRAMの基本的な構成例を示す模式図である。MRAMは、マトリクス状に配された複数のTMR素子1を備えている。さらに、これらのTMR素子1が配された行および列のそれぞれに対応するように、相互に交差するワード線2およびビット線3が、各TMR素子1群を縦横に横切るように設けられている。そして、各TMR素子1は、ワード線2とビット線3とに上下から挟まれた状態で、かつ、これらの交差領域に位置するように、それぞれが配置されている。なお、ワード線2およびビット線3は、Al(アルミニウム)、Cu(銅)またはこれらの合金等の導電性物質を、化学的または物理的に堆積した後に選択的にエッチングする、といった周知の手法を用いて形成されるものとする。
【0021】
図2は、MRAMを構成する単一のTMR素子部分の断面構成の一例を示す模式図である。それぞれのTMR素子部分では、半導体基板4上に、ゲート電極5、ソース領域6およびドレイン領域7からなる電界効果トランジスタが配設され、さらにその上方に、ワード線2、TMR素子1およびビット線3が順に配設されている。このことからも明らかなように、TMR素子1は、ワード線2とビット線3との交差点において、これらワード線2およびビット線3に上下から挟まれるように配されている。なお、TMR素子1は、バイパス線8を介して電界効果トランジスタと接続している。
【0022】
このような構成により、MRAMでは、TMR素子1の記憶層に対して、ワード線2およびビット線3の両方に電流を流すことによって合成電流磁界を発生させ、その合成電流磁界を用いて記憶層の磁化方向を変化させることにより、情報の書き込みを行う。また、TMR素子1からの情報の読み出しは、電界効果トランジスタを用いてTMR素子1の選択を行い、そのTMR素子1における情報記憶層の磁化方向を電圧信号として取り出すことによって行う。
【0023】
〔磁気抵抗効果素子の構成〕
続いて、このようなMRAMに用いられるTMR素子1自体の構成について説明する。TMR素子1は、MTJ構造の膜構成を有する。図3は、MTJ構造の基本的な構成例を示す模式図である。MTJ構造は、強磁性体/絶縁体/強磁性体からなる三層構造からなり、片方の強磁性体層の磁化の向きを固定参照層(ピンド層)11、他方を記憶層(フリー層)12として用いる。そして、ワード線2およびビット線3が発生する合成電流磁界によって、その記憶層12の磁化方向を変化させることで、情報の書き込み(記録)を行うとともに、トンネルMR効果を通じてその記憶層12における磁化方向と電圧信号を対応させている。これら二つの強磁性体層、すなわち固定参照層11および記憶層12の間に挟まれた絶縁体層は、例えばAl(アルミニウム)の酸化物からなり、トンネル障壁層13としての機能を有する。なお、下地層14や保護層15といった、その他の層は、一般には磁性を持たない材料からなる。
【0024】
図4は、MTJ構造のTMR素子をさらに具体的に説明するための模式図である。TMR素子1としては、例えば、被成膜物である基板(例えばバイパス線)21上に、下地層14となるTa(タンタル)膜22と、反強磁性層となるPtMn(白金マンガン)膜23と、固定層となるCoFeB(コバルト鉄ホウ素)膜24と、トンネル障壁層13となるAl−Ox(酸化アルミニウム)膜25と、記憶層12となるCoFeB膜26と、保護層15となるTa膜27とが、順に積層されてなる多層膜構造のものがある。なお、このうち、PtMn膜23とCoFeB膜24は、互いに積層されて固定参照層11となるものである。
【0025】
ところで、ここで説明するTMR素子1は、固定参照層11を構成するCoFeB膜24および記憶層12であるCoFeB膜26の構造に大きな特徴がある。図5は、膜構造の概要を示す模式図である。
【0026】
CoFeB膜24,26は、一般的な強磁性体であるCoおよびFeといった磁性材料に、これらの磁性材料とは異なる種類の元素であるB(ホウ素)を添加してなるものであるが、これにより微細な結晶粒31および結晶粒界32の集合体からなる構造を有している。なお、ここでいう微細とは、後述する理由から、結晶粒31を球形状に近似した場合における平均粒径が2〜100nm程度であることをいう。
【0027】
さらに詳しくは、CoFeB膜24,26では、結晶粒31の組成と結晶粒界32の組成とが異なっており、結晶粒界32にはBが析出している。つまり、Bを添加することによって、そのBが主に結晶粒界32を形成し、これにより微細な結晶粒31および結晶粒界32の集合体からなる構造が構成されるのである。この結晶粒界32を形成するBは、一般にCoやFe等に比べてO(酸素)との結合性が高い。したがって、結晶粒界32は、Oとの結合性を有したものであるということができる。
【0028】
また、CoFeB膜24,26では、Bが主に結晶粒界32を形成することに伴い、微細な結晶粒31を構成する材料(主にCoおよびFe)の示すスピン分極率が、結晶粒界32を構成する材料(主にB)の示すスピン分極率よりも高くなっている。一般に、電子は自転運動(スピン)を持ち、非常に小さな磁石の単位となる。固体中の電子の磁石(スピン)の向きは、通常、上向きと下向きの二通りある。したがって、金属の伝導バンドは上向きスピンを持つ電子のバンド(上向きスピンバンド)と下向きスピンを持つ電子のバンド(下向きスピンバンド)の2つに分けられる。強磁性体では上向きスピンバンドと下向きスピンバンドの形が異なるため、フェルミレベルに存在する電子は、上向きスピンを持つ電子と下向きスピンを持つ電子で数が異なる。これら両電子の数の差をスピン分極率という。このスピン分極率は、MR効果に大きな影響を及ぼし、トンネル接合を形成する強磁性体のスピン分極率が大きいほど、トンネルMR効果が大きくなることが知られている。
【0029】
〔磁気抵抗効果素子の製造〕
次に、以上のような構成のTMR素子1の製造手順およびこれに用いる製造装置について説明する。TMR素子1の製造装置としては、例えば背圧を超高真空領域にまで排気したマグネトロンスパッタ装置を用いる。そして、表面を熱酸化したSi(ケイ素)基板21上に、Ta膜22、PtMn膜23、CoFeB膜24、Al膜を順に積層する。その後、Al膜を純酸素中でプラズマ酸化させ、均一なAl−Ox膜25を得る。このときのAlの厚さは1nmとすることが考えられる。Al−Ox膜25を得た後は、再び例えばマグネトロンスパッタ装置を用いて、CoFeB膜26、Ta膜27を順に成膜する。最後に、PtMn膜23の規則合金化のための熱処理を、磁界中、例えば280℃で1時間行う。
【0030】
このような製造手順において、CoFeB膜24,26を成膜する際には、CoおよびFeといった磁性材料に、これらの磁性材料とは異なる種類の元素であるBを添加して、その成膜を行う。ただし、このとき、CoxFe1−x(0.45<x<0.95)の割合でCoおよびFeを含む磁性材料に対し、Bの添加割合が15%以上となるように、ターゲットやスパッタレート等が調整されているものとする。具体的には、CoFeB膜24,26の設計組成を例えば(Co90Fe10)80B20(原子%)とし、これに合わせてCoFeB膜24,26の成膜を行うようにすることが考えられる。これにより、CoFeB膜24,26は、微細な結晶粒31および結晶粒界32の集合体からなり、かつ、結晶粒界32が主にBによって形成されるようになる。このことは、成膜後のCoFeB膜26を透過型電子顕微鏡(TEM)で観察することによっても確認されている。
【0031】
〔磁気抵抗効果素子の特性〕
次に、以上のようにして製造されたTMR素子1の特性について説明する。図6は、TMR効果の測定結果を示す説明図である。図例のように、上述した構成のTMR素子1について、TMR効果を測定したところ、室温、バイアス電圧5mVで、55%という高い磁気抵抗変化率の値を示した。これに対して、例えばCo75Fe25(原子%)のような従来のCoFe系のものでは、磁気抵抗変化率は高々45%程度である。したがって、本実施形態におけるTMR素子1では、これを超える値が得られたことになる。
【0032】
このように、本実施形態のTMR素子1にて高い磁気抵抗変化率が得られる理由については、以下に述べるように考察される。図7は、高い磁気抵抗変化率が得られる理由を説明するための概念図である。
【0033】
一般に、TMR効果を実現する上で重要な役割を果たすのは、トンネル障壁層13を挟む二つの強磁性体層、すなわち固定参照層11および記憶層12であり、特にトンネル障壁層13との界面付近における各強磁性体層11,12のスピン分極率が重要である。ところが、現実的には、図7(b)に示すように、この界面を通じて、トンネル障壁層13であるAl−Ox膜25からO(酸素)の拡散が起こり、その界面付近においては、強磁性体の酸化物の層33が形成されてしまう。一般的には酸化により分極率は下がるため、従来におけるものについてのTMR効果は、この減少したスピン分極率に基づいて生じたものである。
【0034】
一方、本実施形態のTMR素子1では、固定参照層11を構成するCoFeB膜24および記憶層12であるCoFeB膜26のいずれもが、微細な結晶粒31および結晶粒界32の集合体からなる構造を有している。しかも、その結晶粒界32には、Oとの結合性を有したBが析出している。したがって、図7(a)に示すように、トンネル障壁層13であるAl−Ox膜25から拡散してくるOは、Bが析出した結晶粒界32と優先的に結合して、結晶粒31を構成する材料よりも結晶粒界32を構成する材料中に多く含まれることになる。すなわち、結晶粒界32が優先的に酸化され、結晶粒31内への酸化は抑えられると考えられる。
【0035】
このように、本実施形態のTMR素子1においては、CoFeB膜24,26内に、これと隣接するAl−Ox膜25からの酸素拡散が優先的に起こる領域を設けることにより、TMR効果に重要な界面のスピン分極率が低下していない領域(結晶粒31の内部)が残ることになり、このために高いTMR効果を実現できたものと考えられる。このような高いTMR効果は、MRAMにおいては、大きな信号出力に対応し、高いS/N比を実現し得ることになる。
【0036】
さらに、微細な結晶粒31および結晶粒界32の集合体からなる構造を有することの利点は他にも存在する。一般に、TMR素子をMRAMに用いる場合には、そのTMR素子における記憶層の反転磁界を低減することが大きな課題の一つとなる。これは、反転磁界が記録電流の大きさを決定し、記録電流の大きさは消費電力の大きさに繋がるからである。通常、記憶層の反転磁界は、膜の有する異方性磁界と反磁界とで決まる。ところが、記憶層12であるCoFeB膜26が結晶粒31および結晶粒界32の集合体からなる構造を有していると、各結晶粒31の配向が略ランダムであるため、その結晶磁気異方性も互いに相殺して略ゼロとなる。すなわち、反転磁界のうち、膜の有する異方性に起因する成分はゼロとなる。したがって、本実施形態のTMR素子1によれば、反転磁界の低減にも貢献できるのである。
【0037】
ところで、膜の磁気異方性は、その熱処理温度に依存する。そのため、CoFeB膜26においても、上述した熱処理温度(例えば280℃)以上に加熱すると、結晶粒成長が進行して、所望の特性が得られない可能性がある。ただし、結晶粒成長は膜の組成等によって制御可能であり、実際のデバイスプロセスで膜がさらされる温度において特性が最適となるような組成を選ぶことにより、高いTMR効果や低い異方性磁界を実現することが可能である。つまり、熱処理温度等の製造環境が予め規定されている場合であっても、記憶層12を構成する強磁性体材料の組成や粒径等を制御することにより、その記憶層12の磁気特性を調整することも可能である。
【0038】
なお、本実施形態では、Al−Ox膜25を挟むCoFeB膜24,26、すなわちトンネル障壁層13を挟む二つの強磁性体層について、いずれも微細な結晶粒31および結晶粒界32の集合体からなる構造を有する場合を例に挙げて説明したが、かかる構造はいずれか一方の強磁性体層のみが有していても構わない。つまり、いずれか一方の強磁性体層のみが結晶粒31および結晶粒界32の集合体からなる場合であっても、Al−Ox膜25からの酸素拡散の影響を抑制し得るので、良好な軟磁気特性が得られるようになる。したがって、結晶粒31および結晶粒界32の集合体からなる構造は、二つの強磁性体層の少なくとも一方に適用されていればよい。
【0039】
また、本実施形態では、Al−Ox膜25から拡散してくるOについて、結晶粒界32に析出ているBがこれと優先的に結合する場合を例に挙げて説明したが、結晶粒界32が隣接層からの拡散物質との結合性を有していれば、その拡散物質は特に限定されるものではない。したがって、拡散物質は、Al−Ox膜25以外の層(例えばTa層27)からのものであってもよい。ただし、結晶粒31と結晶粒界32とは、それぞれの組成が異なり、各種元素の拡散に対する親和力に差が生じていることが望ましい。差が生じていれば、結晶粒31を構成する材料よりも結晶粒界32を構成する材料中に拡散物質が多く含まれるからであり、また結晶粒31を構成する材料の示すスピン分極率が結晶粒界32を構成する材料の示すスピン分極率よりも高くなるからである。つまり、良好な軟磁気特性の実現が確実なものとなるからである。
【0040】
このような、良好な軟磁気特性を得るためには、結晶粒31の大きさが、磁壁の幅以下であることが目安となる。磁壁の幅は、構成材料にもよるが、一般に100nm程度である。したがって、結晶粒31の大きさとしては、好ましくは100nm程度(球形状に近似した場合における平均粒径)を上限とする。これに対し、結晶粒31の大きさの下限は、非晶質のアモルファス状態にならない程度であればよく、超常磁性限界とされる2nm程度を下限とすることが好ましい。
【0041】
また、本実施形態では、CoFeB膜24,26の設計組成を(Co90Fe10)80B20とした場合を例に挙げたが、発明の本質を鑑みれば、組成はこれに限られるものではない。例えば、ベースとなるCo−Fe系を各種組成のNi−Fe、Co−Ni、Co−Ni−Fe系といった二元合金または三元合金にすることも有効であるが、特にCoxFe1−x(0.45<x<0.95)とすることで、高いTMR効果が期待できる。一方、このようなベースとなる磁性材料に対しては、Al−Ox膜25からの拡散物質がOであることを考慮すればBを添加することが望ましいが、これに加えてSi、C(炭素)、Hf(ハフニウム)、Ta、N(窒素)、Cu、Nb(ニオブ)等の添加も有効である。つまり、Bを含む一つ以上の異種元素を添加したものであればよい。したがって、異種元素の添加割合も、本実施形態で説明したようにBのみを20%という割合に限定されるものではない。ただし、結晶粒31および結晶粒界32の集合体からなる構造を確実に形成でき、かつ、その結晶粒界32に拡散物質との結合性を持たせるためには、一つ以上の異種元素全体の添加割合が15%以上であることが望ましい。
【0042】
さらには、TMR素子1の膜構成も例示したものには限られない。例えば、記憶層12よりも固定参照層11のほうが先に(下方に)積層される、いわゆるボトム型のTMR素子1ではなく、記憶層が固定参照層よりも先に(下方に)積層される、いわゆるトップ型のTMR素子についても全く同様である。また、TMR素子のみならず、記憶層と固定参照層との間の非磁性体層がCu等で構成されたGMR型のものであっても構わないことは勿論である。
【0043】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明は、磁気抵抗効果素子における強磁性体層を微細な結晶粒および結晶粒界からなる構成とし、その結晶粒界に拡散物質との結合性を持たせているので、多層膜構造中においてもその強磁性体層に対する隣接層からの拡散の影響を抑制して良好な特性が得られるようになり、結果として高いMR効果を実現することができる。さらには、磁気異方性を抑制することによる反転磁界の低減にも貢献できる。したがって、その磁気抵抗効果素子を用いて磁気メモリ装置を構成した場合には、低消費電力や高S/N比等を通じて、その磁気メモリ装置の高性能化が図れるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】MRAMの基本的な構成例を示す模式図である。
【図2】MRAMを構成する単一のTMR素子部分の構成例を示す模式図である。
【図3】MTJ構造の基本的な構成例を示す模式図である。
【図4】MTJ構造のTMR素子をさらに具体的に説明するための模式図である。
【図5】本発明が適用されたTMR素子における強磁性体層の膜構造の概要を示す模式図である。
【図6】TMR効果の測定結果を示す説明図である。
【図7】高い磁気抵抗変化率が得られる理由を説明するための概念図であり、(a)は本発明における膜構造の一例を示す図、(b)は従来における膜構造の一例を示す図である。
【図8】MRAMを構成する記憶素子の磁界応答の一例を示すアステロイド図である。
【符号の説明】
1…TMR素子、11…固定参照層、12…記憶層、13…トンネル障壁層、14…下地層、15…保護層、21…基板、22…Ta膜、23…PtMn膜、24…CoFeB膜、25…Al−Ox膜、26…CoFeB膜、27…Ta膜、31…結晶粒、32…結晶粒界
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetoresistive effect element that generates a so-called MR (MagnetoResistive) effect in which a resistance value is changed by a magnetic field applied from the outside, a manufacturing apparatus thereof, and a memory device that stores information using the magnetoresistive effect element. The present invention relates to a configured magnetic memory device.
[0002]
[Prior art]
In recent years, along with the rapid spread of personal communication devices such as portable terminal devices, the devices such as memory and logic that make up these devices are becoming more highly integrated, faster, lower power, etc. There is a demand for higher performance. In particular, increasing the density and capacity of non-volatile memories is a complementary technology that replaces hard disk devices and optical disk devices that are inherently difficult to miniaturize due to the presence of movable parts (eg, head seek mechanism and disk rotation mechanism). It is becoming increasingly important.
[0003]
As the nonvolatile memory, a flash memory using a semiconductor, an FeRAM (Ferro electric Random Access Memory) using a ferroelectric, and the like are widely known. However, the flash memory has a disadvantage that the information writing speed is on the order of microseconds, and is slower than a volatile memory such as a DRAM (Dynamic Random Access Memory) or an SRAM (Static Random Access Memory). In addition, a problem has been pointed out that FeRAM has a small number of rewritable times. Therefore, a magnetic memory device called MRAM (Magnetic Random Access Memory) is attracting attention as a non-volatile memory that does not have these drawbacks. The MRAM performs information recording using a giant magnetoresistive (GMR) type or tunnel magnetoresistive (TMR) type storage element, and is particularly noticeable due to the recent improvement in characteristics of TMR materials. (For example, “Naji et al. ISSCC2001”).
[0004]
Here, the operation principle of the MRAM will be briefly described. The MRAM has magnetoresistive effect type memory elements (cells) arranged in a matrix, and leads (word lines) and read lines that traverse these element groups vertically and horizontally for recording information in specific memory elements. It has a (bit line) and is configured to selectively write information only to elements located in the intersection region. That is, writing to the memory element is performed by controlling the magnetization direction of the magnetic material in each memory element using a combined current magnetic field generated by flowing current through both the word line and the bit line. Generally, either “0” or “1” information is stored according to the direction of magnetization. On the other hand, reading of information from a memory element is performed by selecting a memory element using an element such as a transistor and extracting the magnetization direction of the magnetic material in the memory element as a voltage signal through the magnetoresistive effect. As a film configuration of the memory element, a three-layer structure composed of ferromagnetic material / nonmagnetic material / ferromagnetic material, that is, a structure called a ferromagnetic tunnel junction (MTJ) has been proposed. Therefore, by using the magnetization direction of one ferromagnetic material as the fixed reference layer (pinned layer) and the other as the storage layer (free layer), the magnetization direction in the storage layer corresponds to the voltage signal through the tunnel magnetoresistance effect. Therefore, extraction as a voltage signal as described above can be realized.
[0005]
Subsequently, the selection of the memory element at the time of writing will be described in more detail. In general, when a magnetic field opposite to the magnetization direction is applied in the easy axis direction of a ferromagnetic material, the magnetization direction may be reversed to the direction of the applied magnetic field at a certain critical value ± Hsw (hereinafter referred to as “reversal magnetic field”). Are known. The value of this reversal magnetic field can theoretically be obtained from the minimum energy condition. Furthermore, it is known that the absolute value of this reversal magnetic field decreases when a magnetic field is applied not only to the easy axis but also to the hard axis. This can also be obtained from the minimum energy condition. That is, if the magnetic field applied in the direction of the hard axis is Hx, the reversal magnetic field Hy at this time is Hx. (2/3) + Hy (2/3) = Hc (2/3) The relationship is established. Hc is an anisotropic magnetic field of the memory layer. This curve is called an asteroid curve because it forms an asteroid on the Hx-Hy plane as shown in FIG.
[0006]
The selection of the memory element is easy to explain using this asteroid. In general, in an MRAM having a configuration in which a magnetic field generated from a word line substantially coincides with the direction of the easy axis of magnetization, information is recorded by reversing the magnetization by the magnetic field generated from the word line. However, since there are a plurality of storage elements located at the same distance from the word line, if a current that generates a magnetic field greater than the reversal magnetic field is supplied to the word line, recording is similarly performed for all of the storage elements located at the same distance. Will end up. However, at this time, if a current is passed through the bit line that crosses the storage element to be selected to generate a magnetic field in the hard axis direction, the switching magnetic field in the storage element to be selected is lowered. Therefore, if the reversal magnetic field at this time is Hc (h) and the reversal magnetic field is Hc (0) when the bit line magnetic field is “0”, the word line magnetic field H is Hc (h) <H <Hc (0). Thus, information recording can be selectively performed only on the storage element to be selected. This is a method for selecting a storage element at the time of recording information in the MRAM.
[0007]
The MRAM having such a configuration has the following characteristics in addition to being non-volatile and capable of nondestructive reading and random access. That is, since the structure is simple, high integration is easy, and the number of rewritable times is large in order to record information by rotating the magnetic moment in the magnetoresistive effect storage element (for example, 10 16 More than once). Furthermore, the access time is expected to be very high, and it has already been confirmed that it can operate in the nanosecond range (for example, 5 ns or less). Further, since the MOS (Metal Oxide Semiconductor) is formed only by the wiring process after manufacturing, the process consistency is good. In particular, it is superior to flash memory in terms of the number of rewritable times, random access, and high-speed operation, and is superior to FeRAM in terms of process consistency. Furthermore, since it is expected that a high integration level similar to that of a DRAM and a high speed performance equivalent to that of an SRAM can be achieved at the same time, there is a possibility of becoming a mainstream memory device.
[0008]
On the other hand, some technical problems have been pointed out regarding MRAM. Specifically, low power consumption and an increase in S / N ratio are strongly desired. On the other hand, for example, low power consumption can be solved mainly by improving the magnetic characteristics of the storage layer, and increasing S / N ratio can be solved by increasing the MR effect (tunnel MR effect in the case of MTJ). Is considered possible. From these facts, the characteristics that the material constituting the memory layer of the MRAM should have must be capable of suppressing the switching magnetic field and generating a high MR effect. As such materials, Co (cobalt) -Fe (iron) binary alloys, Ni (nickel) -Fe binary alloys, Co-Ni-Fe ternary alloys, and the like having various compositions have been proposed.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
In reality, however, the technical problem regarding MRAM is to be solved only by the characteristics in the state where the memory layer is a material single film (single layer film having no multilayer film structure as a magnetoresistive effect element). Is not easy. This is because even if the memory layer in the state of a single material film shows good characteristics, when it is laminated together with other layers to constitute a magnetoresistive effect element, the memory layer in the multilayer structure is This is because it does not always show good characteristics.
[0010]
Specifically, considering the MTJ structure, for example, when a nonmagnetic material sandwiched between ferromagnetic materials is made of an oxide barrier layer, oxygen diffusion from the oxide barrier layer may reach the storage layer. This may cause a change in the magnetic characteristics of the storage layer. In addition, even in a magnetoresistive effect element using a metal nonmagnetic layer, the nonmagnetic layer material can be diffused. Furthermore, by diffusion from not only a nonmagnetic layer sandwiched between ferromagnetic materials such as an oxide barrier layer and a metal nonmagnetic layer, but also a layer adjacent to the storage layer (for example, a protective layer) on the opposite side. However, the magnetic properties of the storage layer can change. That is, in the multilayer film structure, there is a possibility that characteristic changes occur in the memory layer due to the diffusion material from the adjacent layer.
[0011]
In addition, the environment at the time of manufacturing the multilayer structure such as the growth temperature does not necessarily optimize the magnetic characteristics of the storage layer. For example, when a fixed reference layer using an antiferromagnetic material is used, even if the antiferromagnetic material requires ordered annealing at a high temperature, the magnetic properties of the memory layer deteriorate due to the heat treatment. should not be done. For this reason, it is desirable that the ferromagnetic material constituting the storage layer is such that its magnetic characteristics can be flexibly adjusted by some means for various manufacturing environments.
[0012]
Accordingly, in view of the conventional situation as described above, the present invention provides a magnetoresistive element, a manufacturing apparatus thereof, and a magnetic memory device that achieve high performance by obtaining good characteristics even in a multilayer film structure. The purpose is to do.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been devised in order to achieve the above object. In a magnetoresistive effect element having a multilayer film structure including two ferromagnetic layers and a nonmagnetic layer sandwiched therebetween, the above-mentioned strong At least one of the magnetic layers is composed of an aggregate of crystal grains and crystal grain boundaries, and the crystal grain boundaries are formed of a diffusion material from a layer adjacent to the ferromagnetic layer to which the crystal grain boundaries belong. Had binding Made of ferromagnetic material with deposited elements The diffusing material is preferentially bonded to the crystal grain boundaries rather than the crystal grains.
[0014]
According to the magnetoresistive element having the above configuration, in addition to the ferromagnetic layer being composed of an aggregate of crystal grains and crystal grain boundaries, the crystal grain boundaries have a binding property to a diffusing substance. , Diffusion of diffusing material from adjacent layers (eg non-magnetic layers or layers on the opposite side) Than crystal grains Advances preferentially at grain boundaries Because it is supposed to In the other crystal grain portions, the original magnetic characteristics are maintained. Further, the magnetic properties exhibited by the ferromagnetic layer composed of aggregates of crystal grains and grain boundaries depend not only on various heat treatment temperatures but also on the composition and grain size. Therefore, even if the environment such as temperature at the time of manufacturing the magnetoresistive effect element is specified in advance, the magnetic properties of the ferromagnetic layer can be controlled by controlling the composition and particle size of the ferromagnetic layer. Can be adjusted.
[0015]
The manufacturing apparatus of the present invention is a manufacturing apparatus for manufacturing a magnetoresistive effect element having a multilayer structure including two ferromagnetic layers and a non-magnetic layer sandwiched between them. A film forming unit configured to form a magnetic layer, wherein the film forming unit includes at least one of the ferromagnetic layers as a magnetic material including at least one of cobalt, iron, and nickel. A film is formed by adding the above different elements, and the at least one ferromagnetic layer is composed of an aggregate of crystal grains and crystal grain boundaries, and The crystal grain boundaries are formed by the ferromagnetic material on which the different elements are deposited. The diffusion material formed from the adjacent layer of the ferromagnetic layer to which the crystal grain boundary belongs is preferentially coupled to the crystal grain boundary rather than the crystal grain.
[0016]
According to the magnetoresistive element manufacturing apparatus having the above configuration, the ferromagnetic layer is composed of crystal grains and an aggregate of crystal grain boundaries, and the crystal grain boundaries are elements different from the magnetic material. Ferromagnetic material with deposited The magnetoresistive effect element manufactured by the method is configured to preferentially couple the diffusion material from the adjacent layer of the ferromagnetic layer to which the crystal grain boundary belongs to the crystal grain boundary rather than the crystal grain. Depending on the type of the different element, diffusion of the diffusing material from the adjacent layer of the ferromagnetic layer preferentially proceeds at the grain boundary portion, and the original magnetic properties are maintained at the other crystal grain portions. Can be left alone. Even if the environment such as temperature at the time of manufacturing the magnetoresistive effect element is defined in advance, the magnetic properties of the ferromagnetic layer can be controlled by controlling the composition, grain size, etc. of the ferromagnetic layer. It is also possible to adjust.
[0017]
The present invention has been devised to achieve the above object, and comprises a magnetoresistive effect element having a multilayer film structure including two ferromagnetic layers and a nonmagnetic layer sandwiched between them. In the magnetic memory device configured to perform information recording using a change in the magnetization direction of the ferromagnetic layer, at least one of the ferromagnetic layers is a set of crystal grains and crystal grain boundaries. And the crystal grain boundary has a binding property with a diffusion material from a layer adjacent to the ferromagnetic layer to which the crystal grain boundary belongs. Made of ferromagnetic material with deposited elements The diffusing material is preferentially bonded to the crystal grain boundaries rather than the crystal grains.
[0018]
According to the magnetic memory device having the above configuration, in addition to the ferromagnetic layer in the magnetoresistive effect element for performing information recording being composed of crystal grains and aggregates of crystal grain boundaries, the crystal grain boundaries are not diffused substances. Have the connectivity of And more than crystal grains Since the diffusion of the diffusing material from the adjacent layer preferentially proceeds at the crystal grain boundary, even if the magnetoresistive element has a multilayer film structure, the characteristic change in the ferromagnetic layer can be suppressed. Even if the environment such as temperature at the time of manufacturing the magnetoresistive effect element is defined in advance, the magnetic properties of the ferromagnetic layer can be controlled by controlling the composition, grain size, etc. of the ferromagnetic layer. Can be adjusted. Accordingly, good characteristics can be obtained for the magnetoresistive effect element, so that it is possible to realize a reduction in power consumption, an increase in S / N ratio, etc. when information is recorded on the magnetoresistive effect element.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a magnetoresistive effect element, a manufacturing apparatus thereof, and a magnetic memory device according to the present invention will be described with reference to the drawings. Here, a TMR type spin valve element (hereinafter simply referred to as “TMR element”) as a magnetoresistive effect element and an MRAM including a TMR element as a magnetic memory device will be described as examples.
[0020]
[Outline of magnetic memory device]
First, a schematic configuration of the entire magnetic memory device according to the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic diagram showing a basic configuration example of an MRAM. The MRAM includes a plurality of TMR elements 1 arranged in a matrix. Further, word lines 2 and bit lines 3 intersecting each other are provided so as to cross each TMR element 1 group vertically and horizontally so as to correspond to each of the rows and columns in which these TMR elements 1 are arranged. . Each TMR element 1 is arranged so as to be sandwiched between the word line 2 and the bit line 3 from above and below and located in an intersecting region thereof. The word line 2 and the bit line 3 are well-known in such a manner that a conductive substance such as Al (aluminum), Cu (copper), or an alloy thereof is selectively etched after being chemically or physically deposited. It shall be formed using.
[0021]
FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of a cross-sectional configuration of a single TMR element portion constituting the MRAM. In each TMR element portion, a field effect transistor including a gate electrode 5, a source region 6 and a drain region 7 is disposed on a semiconductor substrate 4, and further above the word line 2, TMR element 1 and bit line 3. Are arranged in order. As is clear from this, the TMR element 1 is disposed so as to be sandwiched between the word line 2 and the bit line 3 at the intersection of the word line 2 and the bit line 3 from above and below. The TMR element 1 is connected to a field effect transistor through a bypass line 8.
[0022]
With such a configuration, in the MRAM, a combined current magnetic field is generated by flowing a current through both the word line 2 and the bit line 3 with respect to the storage layer of the TMR element 1, and the storage layer is generated using the combined current magnetic field. Information is written by changing the magnetization direction of. Reading of information from the TMR element 1 is performed by selecting the TMR element 1 using a field effect transistor and extracting the magnetization direction of the information storage layer in the TMR element 1 as a voltage signal.
[0023]
[Configuration of magnetoresistance effect element]
Next, the configuration of the TMR element 1 itself used in such an MRAM will be described. The TMR element 1 has an MTJ structure film configuration. FIG. 3 is a schematic diagram showing a basic configuration example of the MTJ structure. The MTJ structure has a three-layer structure composed of a ferromagnet / insulator / ferromagnet, the direction of magnetization of one ferromagnet layer being a fixed reference layer (pinned layer) 11, and the other being a storage layer (free layer). 12 is used. Information is written (recorded) by changing the magnetization direction of the storage layer 12 by the combined current magnetic field generated by the word line 2 and the bit line 3, and the magnetization in the storage layer 12 is achieved through the tunnel MR effect. The direction and the voltage signal are made to correspond. These two ferromagnetic layers, that is, the insulator layer sandwiched between the fixed reference layer 11 and the storage layer 12 are made of, for example, an oxide of Al (aluminum) and function as the tunnel barrier layer 13. The other layers such as the underlayer 14 and the protective layer 15 are generally made of a material having no magnetism.
[0024]
FIG. 4 is a schematic diagram for more specifically explaining the TMR element having the MTJ structure. As the TMR element 1, for example, a Ta (tantalum) film 22 serving as an underlayer 14 and a PtMn (platinum manganese) film 23 serving as an antiferromagnetic layer are formed on a substrate (for example, a bypass line) 21 that is a film formation target. A CoFeB (cobalt iron boron) film 24 serving as a fixed layer, an Al-Ox (aluminum oxide) film 25 serving as a tunnel barrier layer 13, a CoFeB film 26 serving as a memory layer 12, and a Ta film serving as a protective layer 15. 27 are stacked in order. Of these, the PtMn film 23 and the CoFeB film 24 are laminated to form the fixed reference layer 11.
[0025]
By the way, the TMR element 1 described here has a great feature in the structure of the CoFeB film 24 that constitutes the fixed reference layer 11 and the CoFeB film 26 that is the memory layer 12. FIG. 5 is a schematic diagram showing an outline of the film structure.
[0026]
The CoFeB films 24 and 26 are formed by adding B (boron), which is an element different from these magnetic materials, to a magnetic material such as Co and Fe, which are general ferromagnets. Thus, it has a structure composed of an aggregate of fine crystal grains 31 and crystal grain boundaries 32. Note that the term “fine” as used herein means that the average particle diameter is approximately 2 to 100 nm when the crystal grains 31 are approximated to a spherical shape for the reason described later.
[0027]
More specifically, in the CoFeB films 24 and 26, the composition of the crystal grains 31 and the composition of the crystal grain boundaries 32 are different, and B is precipitated at the crystal grain boundaries 32. That is, by adding B, the B mainly forms a crystal grain boundary 32, thereby forming a structure composed of fine crystal grains 31 and aggregates of crystal grain boundaries 32. B forming this crystal grain boundary 32 generally has a higher bondability with O (oxygen) than Co or Fe. Therefore, it can be said that the crystal grain boundary 32 has a bondability with O.
[0028]
In the CoFeB films 24 and 26, as B mainly forms the crystal grain boundaries 32, the spin polarizability indicated by the materials (mainly Co and Fe) constituting the fine crystal grains 31 is different from the crystal grain boundaries. It is higher than the spin polarizability indicated by the material constituting 32 (mainly B). In general, electrons have a rotational motion (spin) and become a very small magnet unit. The direction of the magnet (spin) of an electron in a solid usually has two directions, upward and downward. Therefore, the conduction band of a metal is divided into an electron band having an upward spin (upward spin band) and an electron band having a downward spin (downward spin band). In ferromagnets, the shape of the upward spin band and the downward spin band are different, so the number of electrons present at the Fermi level differs between an electron having an upward spin and an electron having a downward spin. The difference in the number of these two electrons is called spin polarizability. This spin polarizability has a large influence on the MR effect, and it is known that the tunnel MR effect increases as the spin polarizability of the ferromagnetic material forming the tunnel junction increases.
[0029]
[Manufacture of magnetoresistive effect element]
Next, a manufacturing procedure of the TMR element 1 having the above configuration and a manufacturing apparatus used therefor will be described. As a manufacturing apparatus of the TMR element 1, for example, a magnetron sputtering apparatus in which the back pressure is exhausted to an ultrahigh vacuum region is used. Then, a Ta film 22, a PtMn film 23, a CoFeB film 24, and an Al film are sequentially laminated on a Si (silicon) substrate 21 whose surface is thermally oxidized. Thereafter, the Al film is plasma oxidized in pure oxygen to obtain a uniform Al—Ox film 25. It is conceivable that the thickness of Al at this time is 1 nm. After obtaining the Al—Ox film 25, the CoFeB film 26 and the Ta film 27 are sequentially formed again using, for example, a magnetron sputtering apparatus. Finally, heat treatment for ordering the PtMn film 23 is performed in a magnetic field at, for example, 280 ° C. for 1 hour.
[0030]
In such a manufacturing procedure, when the CoFeB films 24 and 26 are formed, B, which is an element different from these magnetic materials, is added to a magnetic material such as Co and Fe, and the film formation is performed. Do. However, at this time, the target, the sputtering rate, etc. are set so that the addition ratio of B is 15% or more with respect to the magnetic material containing Co and Fe at a ratio of CoxFe1-x (0.45 <x <0.95) Is adjusted. Specifically, the design composition of the CoFeB films 24 and 26 may be (Co90Fe10) 80B20 (atomic%), for example, and the CoFeB films 24 and 26 may be formed in accordance with this. As a result, the CoFeB films 24 and 26 are formed of aggregates of fine crystal grains 31 and crystal grain boundaries 32, and the crystal grain boundaries 32 are mainly formed of B. This has also been confirmed by observing the deposited CoFeB film 26 with a transmission electron microscope (TEM).
[0031]
[Characteristics of magnetoresistance effect element]
Next, characteristics of the TMR element 1 manufactured as described above will be described. FIG. 6 is an explanatory diagram showing the measurement results of the TMR effect. As shown in the example, when the TMR effect was measured for the TMR element 1 having the above-described configuration, a high magnetoresistance change value of 55% was obtained at room temperature and a bias voltage of 5 mV. On the other hand, in the case of a conventional CoFe type material such as Co75Fe25 (atomic%), the magnetoresistance change rate is about 45% at most. Therefore, in the TMR element 1 in this embodiment, a value exceeding this is obtained.
[0032]
As described above, the reason why the TMR element 1 of the present embodiment can obtain a high magnetoresistance change rate is considered as described below. FIG. 7 is a conceptual diagram for explaining the reason why a high magnetoresistance change rate is obtained.
[0033]
In general, the two ferromagnetic layers sandwiching the tunnel barrier layer 13, that is, the fixed reference layer 11 and the storage layer 12, which play an important role in realizing the TMR effect, particularly the interface with the tunnel barrier layer 13. The spin polarizabilities of the ferromagnetic layers 11 and 12 in the vicinity are important. However, in reality, as shown in FIG. 7B, diffusion of O (oxygen) occurs from the Al—Ox film 25 which is the tunnel barrier layer 13 through this interface, and the vicinity of the interface is ferromagnetic. The body oxide layer 33 is formed. In general, since the polarizability decreases due to oxidation, the TMR effect for the conventional one is based on this reduced spin polarizability.
[0034]
On the other hand, in the TMR element 1 of the present embodiment, both the CoFeB film 24 constituting the fixed reference layer 11 and the CoFeB film 26 that is the storage layer 12 are composed of aggregates of fine crystal grains 31 and crystal grain boundaries 32. It has a structure. Moreover, B having a bonding property with O is precipitated at the crystal grain boundary 32. Therefore, as shown in FIG. 7A, the O diffused from the Al—Ox film 25 that is the tunnel barrier layer 13 is preferentially combined with the crystal grain boundary 32 where B is precipitated, and the crystal grain 31 Therefore, it is contained in the material constituting the crystal grain boundary 32 more than the material constituting the material. That is, it is considered that the crystal grain boundaries 32 are preferentially oxidized and the oxidation into the crystal grains 31 is suppressed.
[0035]
As described above, in the TMR element 1 according to the present embodiment, the region in which the oxygen diffusion from the Al—Ox film 25 adjacent to the CoFeB films 24 and 26 preferentially occurs is important for the TMR effect. A region where the spin polarizability of the interface is not lowered (inside the crystal grains 31) remains, and it is considered that a high TMR effect can be realized. Such a high TMR effect corresponds to a large signal output in the MRAM and can realize a high S / N ratio.
[0036]
Further, there are other advantages of having a structure composed of an aggregate of fine crystal grains 31 and crystal grain boundaries 32. In general, when a TMR element is used in an MRAM, reducing the reversal magnetic field of the storage layer in the TMR element is one of the major issues. This is because the reversal magnetic field determines the magnitude of the recording current, and the magnitude of the recording current leads to the magnitude of power consumption. Usually, the reversal magnetic field of the memory layer is determined by the anisotropic magnetic field and the demagnetizing field of the film. However, if the CoFeB film 26 that is the storage layer 12 has a structure composed of aggregates of crystal grains 31 and crystal grain boundaries 32, the orientation of each crystal grain 31 is substantially random, so The properties cancel each other and become almost zero. That is, the component resulting from the anisotropy of the film in the reversal magnetic field is zero. Therefore, according to the TMR element 1 of this embodiment, it can also contribute to the reduction of a reversal magnetic field.
[0037]
Incidentally, the magnetic anisotropy of the film depends on the heat treatment temperature. Therefore, also in the CoFeB film 26, when heated to the above heat treatment temperature (for example, 280 ° C.) or more, crystal grain growth proceeds and desired characteristics may not be obtained. However, crystal grain growth can be controlled by the composition of the film, etc., and by selecting a composition whose characteristics are optimal at the temperature at which the film is exposed in an actual device process, a high TMR effect and a low anisotropic magnetic field can be obtained. It is possible to realize. That is, even when the manufacturing environment such as the heat treatment temperature is defined in advance, the magnetic characteristics of the storage layer 12 can be controlled by controlling the composition, grain size, etc. of the ferromagnetic material constituting the storage layer 12. It is also possible to adjust.
[0038]
In this embodiment, the CoFeB films 24 and 26 sandwiching the Al—Ox film 25, that is, the two ferromagnetic layers sandwiching the tunnel barrier layer 13 are both aggregates of fine crystal grains 31 and crystal grain boundaries 32. The case of having a structure consisting of the above has been described as an example, but such a structure may be included only in one of the ferromagnetic layers. That is, even when only one of the ferromagnetic layers is composed of an aggregate of crystal grains 31 and crystal grain boundaries 32, the influence of oxygen diffusion from the Al—Ox film 25 can be suppressed, which is favorable. Soft magnetic properties can be obtained. Therefore, the structure composed of the aggregate of the crystal grains 31 and the crystal grain boundaries 32 may be applied to at least one of the two ferromagnetic layers.
[0039]
In the present embodiment, the case where O diffused from the Al—Ox film 25 is preferentially combined with B that has precipitated in the crystal grain boundaries 32 has been described as an example. The diffusion material is not particularly limited as long as 32 has bonding properties with the diffusion material from the adjacent layer. Therefore, the diffusing material may be from a layer other than the Al—Ox film 25 (for example, the Ta layer 27). However, it is desirable that the crystal grains 31 and the crystal grain boundaries 32 have different compositions and have a difference in affinity for diffusion of various elements. If there is a difference, the material constituting the crystal grain boundary 32 contains more diffusive material than the material constituting the crystal grain 31, and the spin polarizability indicated by the material constituting the crystal grain 31 is high. This is because it becomes higher than the spin polarizability exhibited by the material constituting the crystal grain boundary 32. That is, the realization of good soft magnetic characteristics is ensured.
[0040]
In order to obtain such good soft magnetic properties, it is a guide that the size of the crystal grains 31 is equal to or less than the width of the domain wall. The width of the domain wall is generally about 100 nm although it depends on the constituent material. Accordingly, the upper limit of the size of the crystal grain 31 is preferably about 100 nm (average grain diameter when approximated to a spherical shape). On the other hand, the lower limit of the size of the crystal grains 31 is not limited as long as it does not become an amorphous state, and it is preferable that the lower limit is about 2 nm, which is a superparamagnetic limit.
[0041]
In the present embodiment, the case where the design composition of the CoFeB films 24 and 26 is (Co90Fe10) 80B20 has been described as an example. However, in view of the essence of the invention, the composition is not limited to this. For example, it is effective to use a binary alloy or a ternary alloy such as Ni—Fe, Co—Ni, or Co—Ni—Fe based on various compositions as the base Co—Fe system. .45 <x <0.95), a high TMR effect can be expected. On the other hand, for such a magnetic material as a base, it is desirable to add B considering that the diffusion material from the Al-Ox film 25 is O, but in addition to this, Si, C ( Addition of carbon), Hf (hafnium), Ta, N (nitrogen), Cu, Nb (niobium), etc. is also effective. That is, it is sufficient if one or more different elements including B are added. Therefore, the addition ratio of the different elements is not limited to the ratio of 20% only for B as described in the present embodiment. However, in order to reliably form a structure composed of an aggregate of the crystal grains 31 and the crystal grain boundaries 32, and to make the crystal grain boundaries 32 have bonding properties with a diffusing substance, one or more different elements as a whole The addition ratio of is desirably 15% or more.
[0042]
Furthermore, the film configuration of the TMR element 1 is not limited to that illustrated. For example, instead of the so-called bottom-type TMR element 1 in which the fixed reference layer 11 is stacked first (downward) than the storage layer 12, the storage layer is stacked (downward) before the fixed reference layer. The same applies to so-called top-type TMR elements. Of course, not only the TMR element but also the nonmagnetic material layer between the storage layer and the fixed reference layer may be a GMR type composed of Cu or the like.
[0043]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the ferromagnetic layer in the magnetoresistive effect element is composed of fine crystal grains and crystal grain boundaries, and the crystal grain boundaries have a bonding property to a diffusing substance. Therefore, even in the multilayer film structure, the influence of diffusion from the adjacent layer on the ferromagnetic layer can be suppressed and good characteristics can be obtained, and as a result, a high MR effect can be realized. Furthermore, it can contribute to the reduction of the reversal magnetic field by suppressing the magnetic anisotropy. Therefore, when a magnetic memory device is configured using the magnetoresistive effect element, the performance of the magnetic memory device can be improved through low power consumption, a high S / N ratio, and the like.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a basic configuration example of an MRAM.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a configuration example of a single TMR element portion constituting the MRAM.
FIG. 3 is a schematic diagram showing a basic configuration example of an MTJ structure.
FIG. 4 is a schematic view for more specifically explaining a TMR element having an MTJ structure.
FIG. 5 is a schematic diagram showing an outline of a film structure of a ferromagnetic layer in a TMR element to which the present invention is applied.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a measurement result of a TMR effect.
FIGS. 7A and 7B are conceptual diagrams for explaining the reason why a high magnetoresistance change rate can be obtained, in which FIG. 7A shows an example of a film structure in the present invention, and FIG. 7B shows an example of a conventional film structure; FIG.
FIG. 8 is an asteroid diagram showing an example of a magnetic field response of a memory element constituting an MRAM.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... TMR element, 11 ... Fixed reference layer, 12 ... Memory layer, 13 ... Tunnel barrier layer, 14 ... Underlayer, 15 ... Protective layer, 21 ... Substrate, 22 ... Ta film, 23 ... PtMn film, 24 ... CoFeB film 25 ... Al-Ox film, 26 ... CoFeB film, 27 ... Ta film, 31 ... crystal grain, 32 ... crystal grain boundary

Claims (11)

二つの強磁性体層とこれらの間に挟まれる非磁性体層とを含む多層膜構造の磁気抵抗効果素子において、
前記強磁性体層のうちの少なくとも一方は、磁性材料に少なくともホウ素を添加してなり、且つ、結晶粒および結晶粒界の集合体からなり
前記結晶粒界は、磁性を持つとともに、前記結晶粒を構成する材料の示すスピン分極率が前記結晶粒界を構成する材料の示すスピン分極率よりも高く、当該結晶粒界の属する強磁性体層の隣接層からの拡散物質との結合性を有するホウ素が析出しており、
前記拡散物質が前記結晶粒よりも前記結晶粒界と優先的に結合することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
In a magnetoresistive element having a multilayer structure including two ferromagnetic layers and a nonmagnetic layer sandwiched between them,
Wherein at least one of the ferromagnetic layers is made by adding at least boron magnetic material, and consists of a collection of crystal grains and grain boundaries,
The crystal grain boundary has magnetism, and the spin polarizability indicated by the material constituting the crystal grain is higher than the spin polarizability indicated by the material constituting the crystal grain boundary, and the ferromagnetic material to which the crystal grain boundary belongs has boron deposited to have a binding between the diffusion material from the adjacent layers of the layer,
The magnetoresistive effect element, wherein the diffusing substance is preferentially bonded to the crystal grain boundary rather than the crystal grain.
前記結晶粒の組成と前記結晶粒界の組成とが異なることを特徴とする請求項1記載の磁気抵抗効果素子。  2. The magnetoresistive element according to claim 1, wherein the composition of the crystal grains and the composition of the crystal grain boundaries are different. 前記拡散物質が、前記結晶粒を構成する材料よりも、前記結晶粒界を構成する材料中に多く含まれていることを特徴とする請求項2記載の磁気抵抗効果素子。  3. The magnetoresistive effect element according to claim 2, wherein a larger amount of the diffusing substance is contained in a material constituting the crystal grain boundary than a material constituting the crystal grain. 前記結晶粒は、当該結晶粒を球形状に近似した場合における平均粒径が100nm以下であることを特徴とする請求項1記載の磁気抵抗効果素子。  The magnetoresistive element according to claim 1, wherein the crystal grains have an average grain size of 100 nm or less when the crystal grains are approximated to a spherical shape. 前記結晶粒は、当該結晶粒を球形状に近似した場合における平均粒径が2nm以上であることを特徴とする請求項記載の磁気抵抗効果素子。5. The magnetoresistive element according to claim 4 , wherein the crystal grains have an average grain size of 2 nm or more when the crystal grains are approximated to a spherical shape. 前記結晶粒および前記結晶粒界の集合体からなる強磁性体層は、コバルト、鉄およびニッケルのうちの少なくとも一つを含む磁性材料に、少なくともホウ素を添加してなることを特徴とする請求項1記載の磁気抵抗効果素子。The ferromagnetic layer comprising an aggregate of the crystal grains and the crystal grain boundaries is formed by adding at least boron to a magnetic material containing at least one of cobalt, iron, and nickel. The magnetoresistive effect element according to 1. 前記結晶粒および前記結晶粒界の集合体からなる強磁性体層は、CoxFe1−x(0.45<x<0.95)の割合でコバルトおよび鉄を含む磁性材料に、少なくともホウ素を添加してなることを特徴とする請求項記載の磁気抵抗効果素子。The ferromagnetic layer composed of an aggregate of the crystal grains and the crystal grain boundaries is obtained by adding at least boron to a magnetic material containing cobalt and iron at a ratio of CoxFe1-x (0.45 <x <0.95). the magnetoresistive element according to claim 7, characterized in that Te. ホウ素の添加割合が15%以上であることを特徴とする請求項記載の磁気抵抗効果素子。 8. The magnetoresistive element according to claim 7 , wherein the addition ratio of boron is 15% or more. 前記非磁性体層が絶縁体からなるトンネル障壁層であり、当該非磁性体層とこれを挟む二つの強磁性体層とで強磁性トンネル接合を形成することを特徴とする請求項1記載の磁気抵抗効果素子。  The non-magnetic layer is a tunnel barrier layer made of an insulator, and a ferromagnetic tunnel junction is formed by the non-magnetic layer and two ferromagnetic layers sandwiching the non-magnetic layer. Magnetoresistive effect element. 二つの強磁性体層とこれらの間に挟まれる非磁性体層とを含む多層膜構造の磁気抵抗効果素子を製造するための製造装置であって、
前記強磁性体層を成膜する成膜手段を備えるとともに、
前記成膜手段は、前記強磁性体層のうちの少なくとも一方を、コバルト、鉄およびニッケルのうちの少なくとも一つを含む磁性材料に少なくともホウ素を添加して成膜し、当該少なくとも一方の強磁性体層が結晶粒および結晶粒界の集合体からなり、かつ、前記結晶粒界が、磁性を持つとともに、前記結晶粒を構成する材料の示すスピン分極率が前記結晶粒界を構成する材料の示すスピン分極率よりも高く、当該結晶粒界の属する強磁性体層の隣接層からの拡散物質を前記結晶粒よりも前記結晶粒界と優先的に結合させるものであることを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造装置。
A manufacturing apparatus for manufacturing a magnetoresistive element having a multilayer structure including two ferromagnetic layers and a nonmagnetic layer sandwiched between them,
A film forming means for forming the ferromagnetic layer;
The film forming means forms at least one of the ferromagnetic layers by adding at least boron to a magnetic material containing at least one of cobalt, iron and nickel, and forms the at least one ferromagnetic layer. The body layer is composed of an aggregate of crystal grains and crystal grain boundaries, and the crystal grain boundaries have magnetism, and the spin polarizability indicated by the material constituting the crystal grains is that of the material constituting the crystal grain boundaries. A magnetic material having a higher spin polarizability than the diffusive material from the adjacent layer of the ferromagnetic layer to which the crystal grain boundary belongs, and is preferentially coupled to the crystal grain boundary rather than the crystal grain. Resistance effect element manufacturing equipment.
二つの強磁性体層とこれらの間に挟まれる非磁性体層とを含む多層膜構造の磁気抵抗効果素子を具備し、前記強磁性体層の磁化方向の変化を利用して情報記録を行うように構成された磁気メモリ装置において、
前記強磁性体層のうちの少なくとも一方は、磁性材料に少なくともホウ素を添加してなり、且つ、結晶粒および結晶粒界の集合体からなり
前記結晶粒界は、磁性を持つとともに、前記結晶粒を構成する材料の示すスピン分極率が前記結晶粒界を構成する材料の示すスピン分極率よりも高く、当該結晶粒界の属する強磁性体層の隣接層からの拡散物質との結合性を有するホウ素が析出しており、
前記拡散物質が前記結晶粒よりも前記結晶粒界と優先的に結合することを特徴とする磁気メモリ装置。
A magnetoresistive effect element having a multilayer structure including two ferromagnetic layers and a nonmagnetic layer sandwiched between them is provided, and information recording is performed by utilizing a change in the magnetization direction of the ferromagnetic layer. In the magnetic memory device configured as described above,
Wherein at least one of the ferromagnetic layers is made by adding at least boron magnetic material, and consists of a collection of crystal grains and grain boundaries,
The crystal grain boundary has magnetism, and the spin polarizability indicated by the material constituting the crystal grain is higher than the spin polarizability indicated by the material constituting the crystal grain boundary, and the ferromagnetic material to which the crystal grain boundary belongs has boron deposited to have a binding between the diffusion material from the adjacent layers of the layer,
The magnetic memory device, wherein the diffusion material is preferentially coupled to the crystal grain boundary rather than the crystal grain.
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